Brevet FR2903482A1 — publié le 20080111

SYSTEME D'INJECTION DE FLUIDE CRYOGENIQUE PERMETTANT LE TRAITEMENT DE PRODUITS EN VRAC ET PROCEDE DE REFROIDISSEMENT LE METTANT EN îUVRE La présente invention est relative à un dispositif destiné à injecter, dans une enceinte, un fluide cryogénique, sous une pression supérieure à celle qui règne dans l'enceinte. Il est connu de refroidir le contenu d'un malaxeur ou d'un pétrin en introduisant du CO2 liquide ou de l'azote liquide (LN2) à la base de la cuve du malaxeur ou pétrin. Le CO2 liquide, introduit sous pression par l'intermédiaire d'une buse d'injection, se transforme, dès sa détente, dans la buse, en solide (neige carbonique), et en gaz froid. Le solide se mélange au contenu du malaxeur et le refroidit, cependant que le gaz froid contribue également au refroidissement en traversant l'ensemble de la masse contenue dans la cuve. Un dispositif connu pour la mise en oeuvre de ce procédé comporte plusieurs dispositif d'injections, disposés dans le fond de la cuve, et alimentés en CO2 liquide par un ensemble de canalisations, cet ensemble étant pourvu d'une vanne de commande commune, unique. Lors d'une fermeture de la vanne, le CO2 liquide qui se trouve dans les canalisations en aval de cette vanne ne peut être évacué très rapidement par les dispositif d'injections, et, lorsque la pression tombe au-dessous de 5,18 bars environ dans les canalisations, il se transforme en neige carbonique dans ces canalisations qui sont ainsi obstruées. Il est donc impossible de reprendre l'injection tant que cette neige n'a pas disparu en se transformant en gaz par réchauffement. 2903482 2 On peut prévoir que les conduites reliant la vanne aux dispositif d'injections sont flexibles, ce qui permet un démontage, et par conséquent permet d'accélérer la remise en marche du système. Ce démontage est cependant une 5 opération relativement longue et pénible. Les mêmes inconvénients subsistent si, au lieu d'une vanne commune à tous les dispositif d'injections, il est prévu plusieurs vannes indépendantes, reliées chacune à un dispositif d'injection par un conduit flexible distinct . 10 des bouchages se produisent alors dans le conduit flexible. Il a été constaté que les bouchages se produisent lorsque la pression du CO2 liquide devient inférieure à 14 bars, ce qui arrive assez fréquemment lorsqu'on utilise des récipients de stockage dits "super-isolés", qui sont par 15 ailleurs souvent préférés dans le but de limiter les pertes thermiques. Un dispositif destiné à injecter dans une enceinte un liquide susceptible de se solidifier par détente est connu du document EP-A-376 823. 20 Le Brevet EP-744 578 décrit un dispositif d'injection permettant d'éviter les inconvénients provoqués par les incidents de bouchage dans les conditions normales d'utilisation. Ce dispositif est tel que la liaison entre la vanne d'arrêt et la buse d'injection est calculée pour 25 qu'un bouchon éventuellement formé dans ladite liaison et ladite buse à la suite d'une fermeture de la vanne d'injection puisse être expulsé vers l'enceinte par le liquide sous pression lors de la réouverture de la vanne d'injection. 30 Ainsi le dispositif ne comporte pas de moyens pour empêcher la formation de bouchon, mais l'expulsion de ce bouchon est possible dès la remise en marche, si bien qu'il est possible de procéder à une nouvelle injection à 2903482 3 n'importe quel moment après la fin d'une période antérieure d'injection. Cependant, il s'avère que ce dispositif peut être bouché par l'entrée de la matière à refroidir dans le dispositif d'injection, et de ce fait 5 l'utilisation de ce dispositif est limitée au refroidissement de produit solide. Il existe donc un réel besoin en un dispositif d'injection de fluide cryogénique ne présentant pas les problèmes rencontrés avec les dispositifs de l'art 10 antérieur et pouvant permettre le refroidissement de tout type de produit quel que soit son état physique. Ainsi la présente invention porte sur un dispositif d'injection destiné à être fixé sur la partie inférieure d'un récipient contenant un produit à refroidir en vrac, 15 ledit dispositif d'injection comprenant un corps cylindrique creux dans lequel est insérée une soupape forcée par un ressort, ledit dispositif d'injection comprenant un canal traversant sensiblement parallèle à ladite soupape destiné à être alimenté en fluide 20 cryogénique sous pression, une extrémité dudit canal traversant étant relié au système d'alimentation en fluide cryogénique et l'extrémité opposée débouchant au niveau du siège de la soupape. Le ressort est taré de telle sorte que la soupape ne 25 puisse pas coulisser sans être soumise à une pression du fluide cryogénique au moins égale à une pression seuil. Ainsi dès que la pression de fluide cryogénique est inférieure à un seuil déterminé, la pression nécessaire pour faire coulisser la soupape ne sera plus atteinte et le 30 siège de soupape se repositionnera de façon étanche contre la paroi support. Grâce au dispositif conforme à l'invention, il est impossible que de la matière contenue dans l'enceinte 2903482 4 puisse s'introduire dans le dispositif et créer des obturations nécessitant un démontage et nettoyage, et ce quelque soit l'état physique de cette matière. Le dispositif selon l'invention est donc adapté au 5 refroidissement de produit aussi bien sous forme liquide, que pâteuse, solide ou granulaire. Par produit pâteux , on entend tout produit dont la viscosité est comprise entre liquide et solide. Le dispositif pourra avantageusement remplacer les 10 dispositifs de refroidissement par le haut des cuves contenant des produits liquides ou pulvérulents pour lesquels les systèmes de l'art antérieur de refroidissement par le bas n'étaient pas adaptés. Le fluide cryogénique utilisé est de l'azote liquide 15 ou du CO2 liquide notamment quand le produit à refroidir est un produit alimentaire. Cependant, le dispositif selon l'invention peut être mis en oeuvre avec tout type de fluide cryogénique. Le choix du ressort et son tarage sont bien entendu 20 fonction du fluide cryogénique qui est utilisé. Ainsi pour de l'azote il doit pouvoir être taré typiquement entre 0 et 7 bars et pour le CO2 jusqu'à 25 bars. Afin d'optimiser le fonctionnement de la soupape, le dispositif peut comporter plusieurs canaux tranversaux dont 25 l'une des extrémités débouche au niveau du siège de la soupape. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend n canaux traversant, n étant compris entre 1 et 20,un nombre pair,leur nombre augmente lorsque la pression d'utilisation du fluide cryogénique diminue, 30 lesdits canaux étant disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la soupape. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, deux canaux sont 2903482 5 disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la soupape. Le dispositif de l'invention est soumis à des différences de températures très importantes. En effet, la 5 paroi de l'enceinte sur laquelle est fixé le dispositif est généralement à la température ambiante, alors que la partie opposée du dispositif qui reçoit l'alimentation en fluide cryogénique est à une température de -196 C. Des phénomènes de givrage de la surface externe de l'enceinte sont donc 10 inévitables. Il peut donc y avoir collage sur la paroi givrée de l'enceinte de la matière à refroidir. Les points de givrage deviennent des points d'accroche du produit contenu dans l'enceinte. Ces points s'agrandissent et finissent par obturer la soupape, ne permettant plus 15 l'injection de fluide cryogénique. Afin d'éviter ces phénomènes de givrage, selon un mode de réalisation avantageux, il est prévu de disposer un pont thermique, c'est-à-dire d'insérer une pièce en matériau isolant entre l'élément du dispositif en liaison directe 20 avec l'arrivée de fluide cryogénique et l'élément du dispositif placée directement sur la paroi de la cuve, les éléments constitutifs étant alors dissociables. La rupture pont thermique peut être réalisée en tout matériau isolant, notamment en résine polymère ou toute 25 autre matière plastique isolante. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif conforme à l'invention comprend : un élément inférieur, qui en position de fonctionnement est le plus éloigné de la paroi de 30 l'enceinte et qui est relié au système d'alimentation en fluide cryogénique, - un élément central dont l'extrémité inférieure est en appui sur l'élément inférieur, 2903482 6 - une soupape placée en coulissement dans un trou traversant pratiqué axialement dans l'élément central, le siège de la soupape étant en appui hermétique contre la partie supérieure biseautée dudit trou traversant, 5 - un pont thermique entourant l'élément central et dont l'extrémité inférieure est en appui sur l'élément inférieur, - un élément de paroi entourant le pont thermique dont l'extrémité inférieure est en appui sur le bord inférieur 10 du pont thermique et dont l'extrémité supérieure est destinée à être fixée sur la paroi de l'enceinte, ledit élément inférieur comprenant : au moins un canal d'alimentation dont une extrémité est 15 en liaison avec le système d'alimentation et l'autre extrémité est en liaison avec une extrémité d'un canal traversant présent dans l'élément central, ledit canal traversant étant sensiblement parallèle à l'axe de la soupape, son autre extrémité débouchant au niveau du 20 siège de la soupape, un évidement aveugle central destiné à recevoir l'extrémité libre de l'axe de la soupape entouré d'un ressort de tarage, 25 ledit trou traversant de la partie centrale présentant en son extrémité inférieure un diamètre supérieur de telle sorte qu'en position de montage, le ressort de tarage soit maintenu contre ledit épaulement dans le trou central de plus grand diamètre et dans l'évidement central de 30 l'élément inférieur. De façon avantageuse, les différents éléments constitutifs sont réalisés en acier, de préférence en acier 2903482 7 inoxydable à l'exception du pont thermique qui est réalisé en un matériau isolant. De façon avantageuse, les différents éléments constitutifs sont maintenus ensemble à l'aide d'un raccord 5 à démontage rapide ou du type vissé ou à baïonnette ou analogue. Le dispositif selon l'invention doit pouvoir être démonté en vue notamment du tarage du ressort forçant la soupape, ou d'un nettoyage qui est obligatoire en cas de 10 produits alimentaires et qui peut être rendu nécessaire par un fonctionnement anormal ou encore, par une pollution accidentelle. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif est relié à l'alimentation en fluide cryogénique par 15 l'intermédiaire d'un conduit flexible fluidique. Ceci afin de permettre un démontage rapide. En effet, le conduit flexible n'a pas à être démonté pour le nettoyage. Suivant un mode de réalisation préférée, le nettoyage est encore facilité par le maintien des différentes pièces 20 constitutives à l'aide d'un système de maintient mécanique rapide(raccord rapide ). Suivant un mode de réalisation préférée, le dispositif de l'invention étant destiné à être utilisé sous pression, des moyens sont prévus pour que seul le personnel autorisé 25 puisse démonter le dispositif. A cet effet, les parties constitutives du dispositif sont fixées entre elles à l'aide de vis inviolables et un câble anti-coup de fouet est fixé d'une part sur le tuyau flexible,d'autre part de part et d'autre du raccord rapide , sur la partie 30 basse du dispositif et sur la partie haute de celui-ci. Le retrait du câble anticorps de fouet n'est possible qu'en utilisant une clé spécifique dont l'utilisation est réservée aux personnes habilitées. 2903482 8 Le dispositif selon l'invention est fixé de façon tangentielle sur la paroi préalablement perforée de l'enceinte. Dans le cas où l'enceinte est un malaxeur, il est avantageux de disposer les dispositifs à environ 45 5 des bras de malaxage dans un secteur compris entre un angle de 0 (c'est à dire vertical) à 50 par rapport à un angle de 90 (c'est à dire horizontal aux bras de malaxage) de telle sorte que le fluide cryogénique soit injecté au coeur de la matière à refroidir. 10 Par ailleurs, contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, une partie du fluide cryogénique est déjà transformé en solide avant d'entrer en contact avec la masse à refroidir. En effet, le solide cryogénique se forme dès que le fluide frappe le siège de la soupape dans 15 l'espace compris entre le siège et l'appui. Compte tenu du fait que c'est le solide cryogénique qui entre en contact avec la matière à refroidir le rendement de refroidissement est donc supérieur à celui obtenu avec les dispositifs de l'art antérieur. 20 Le produit peut bien entendu être en mouvement dans l'enceinte, ce qui favorise les échanges thermiques et donc le refroidissement du contenu. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif conforme à l'invention est fixé sur la partie inférieure de 25 la cuve de malaxage. L'invention va maintenant être exposée de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple pratique, illustré avec les dessins, sur lesquels : - la Figure 1 est une vue en coupe d'une installation 30 comprenant une enceinte et des dispositifs conformes à l'invention, - la Figure 2 est une vue, en élévation, d'un dispositif conforme à l'invention, 2903482 9 - la Figure 3 est une vue, en coupe, selon le plan III-III de la figure 2, et - et la Figure 4 est une vue, en coupe, selon le plan IV-IV de la figure 2. 5 La figure 1 montre la partie inférieure d'une enceinte 1 sur la paroi de laquelle sont fixés, de préférence par soudure, deux dispositifs 3 d'injection de fluide cryogénique conformes à l'invention. Les dispositifs 3 sont reliés par un tuyau flexible 4 et un tuyau calorifugé 5 à 10 une électrovanne 6 permettant l'ouverture et la fermeture de l'alimentation en fluide cryogénique. La figure 2 montre plus en détail un dispositif 3 d'injection, comprenant une partie supérieure 7 dont l'extrémité libre 8 est destinée à être fixée sur la paroi 15 externe d'une enceinte, et une partie basse 9, les deux parties étant reliées par un raccord rapide 10. A la partie basse 9 dudit dispositif 3 est relié un tuyau flexible 4. Un câble anticorps de fouet 11 reliant le tuyau flexible 4, la partie basse 9 et la partie supérieure 7. Ce câble est 20 fixé à l'aide de crochets de sécurité 12 de telle sorte que seuls des personnes habilitées puissent le défaire par exemple en vue d'un démontage. A l'intérieur du dispositif 3 est logée la soupape dont seule la face supérieure 13 est visible. 25 Comme cela est plus visible sur les figures 3 et 4, le dispositif d'injection 3 comprend un corps composé de deux parties rendues solidaires, la partie inférieure 9 et la partie supérieure 7. La partie supérieure est elle même constituée de 3 éléments, une paroi sensiblement 30 cylindrique 14 externe en acier inoxydable dont une extrémité vient indirectement en appui sur la partie inférieure 9 et dont l'autre extrémité est destinée à être fixée sur la paroi de l'enceinte. 2903482 10 A l'intérieur de cette paroi 14, est disposée une pièce de forme complémentaire, appelée pont thermique, également creuse, isolante, à l'intérieur de laquelle est disposée un troisième élément 16 en acier inoxydable 5 traversé en son centre par la soupape 17 et par deux canaux 18 traversants débouchant sur la partie supérieure biseautée de la pièce 16 destinée à recevoir le siège 13 de la soupape 17. L'ouverture traversante centrale de la pièce 16 10 comprend trois zones, une zone centrale 19a de diamètre sensiblement égale à celui de la soupape de telle sorte que la soupape peut être placée en coulissement dans cette zone et une zone inférieure 19b de diamètre supérieur, de telle sorte qu'elle puisse recevoir autour de l'axe de la soupape 15 le ressort 19 forçant celle-ci. Ce ressort 19 étant maintenu par l'épaulement 20 formé entre les zones 19a et 19b. A l'extrémité opposée supérieure, la zone 19c est de forme biseautée, de diamètre plus large en son extrémité 20 libre, la forme du biseau étant adaptée pour recevoir de manière étanche le siège de la soupape lorsque la soupape est forcée par le ressort. La partie inférieure 9 est quant à elle constituée d'un seul élément en acier inoxydable, de forme générale 25 cylindrique. Cette pièce comporte un évidement aveugle central 21 qui lorsque le dispositif est monté coïncide avec l'ouverture 19b de la partie supérieure. Cet évidement est destiné à recevoir l'extrémité de la soupape maintenue par le ressort 19 et l'écrou de tarage 22 du ressort. 30 Elle comporte également de part et d'autre de l'évidement aveugle deux canaux verticaux 23, 24 qui en position de montage débouchent à une extrémité chacun sur un canal traversant 18 et l'autre extrémité dans un canal 2903482 11 perpendiculaire 25 dont l'une des extrémités débouche sur le canal 23 et l'autre est destinée à être reliée au système d'alimentation en fluide cryogénique par l'intermédiaire du raccord 26. 5 La partie inférieure 9 est fixée à la pièce centrale 16 par des vis 27 et 28. La vis 28 est une vis anti-démontage permettant le respect des normes de sécurité des dispositifs sous pression. 10 Les parties 14 et 15 sont rendues solidaires de la partie 9 par le raccord 10 (représenté sur la figure 2). Le raccord 10 est un raccord à démontage rapide. Il pourrait être aussi du type vissé ou à baïonnette ou analogue. 15 En fonctionnement, la vanne 6 est ouverte, et le fluide cryogénique est envoyé par les tuyaux 5 puis le flexible 4 dans l'intérieur du dispositif 3, à travers le canal 25 puis chacun des canaux 18. Le fluide sous pression exerce alors une pression sur le siège de la soupape, un 20 espace est alors formé entre la partie 19c et le siège de la soupape. Le solide cryogénique commence à se former dans cet espace par le choc entre le fluide et le siège de la soupape, et est forcé à l'intérieur de l'enceinte. Lorsqu'il est nécessaire d'arrêter l'alimentation en fluide 25 cryogénique, la vanne 6 est fermée. On observera que les opérations de démontage-remontage de l'ensemble d'injection 3 sont très faciles. Si on démonte le raccord 10, les différentes pièces constitutives se désolidarisent, ce qui permet de les inspecter, et les 30 nettoyer. L'invention porte également sur l'utilisation d'un dispositif d'injection tel que décrit précédemment pour le refroidissement de produit en vrac. 2903482 12 Elle porte également sur un procédé de refroidissement de matériau en vrac contenu dans une enceinte, selon lequel un fluide cryogénique est injecté au coeur du matériau à refroidir à l'aide d'au moins un 5 dispositif d'injection, de préférence m dispositifs d'injection répartis symétriquement dans la partie basse de l'enceinte, m étant un entier compris entre 2 et 20, de préférence un nombre pair. De façon avantageuse, l'enceinte est un malaxeur. 10 Le procédé est particulièrement bien adapté pour refroidir tout type de matériau quel que soit son état physique, notamment pour des produits, liquides, pâteux, solides ou pulvérulents. -------------------- REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection (3) destiné à être fixé sur la paroi (2) de la partie inférieure d'un récipient (1) contenant un produit à refroidir en vrac, ledit dispositif d'injection (3) comprenant un corps cylindrique creux dans lequel est inséré une soupape (17) forcée par un ressort (19), ledit dispositif d'injection comprenant un canal traversant(18) sensiblement parallèle à ladite soupape destiné à être alimenté en fluide cryogénique sous pression, une extrémité dudit canal traversant étant reliée au système d'alimentation en fluide cryogénique et l'extrémité opposée débouchant au niveau du siège (13) de la soupape. 2. Dispositif d'injection selon la revendication 1, comprenant n canaux traversant (18), n étant compris entre 2 et 5, lesdits canaux étant disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal de la soupape (17). 3. Dispositif d'injection selon la revendication 1 ou 2, comprenant un pont thermique (15), c'est-à-dire une pièce en matériau isolant, entre l'élément du dispositif d'injection en liaison directe avec l'arrivée de fluide cryogénique et l'élément du dispositif d'injection placé directement sur la paroi de l'enceinte. 4. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un élément inférieur (9), qui en position de fonctionnement est le plus éloigné de la paroi de l'enceinte et qui est relié au système d'alimentation en fluide cryogénique, un élément central (16) dont l'extrémité inférieure est en appui sur l'élément inférieur, 2903482 14 une soupape (17) placée en coulissement dans un trou traversant pratiqué axialement dans l'élément central, le siège (13) de la soupape étant en appui étanche contre la partie supérieure biseautée (19c) dudit trou traversant, un pont thermique (15) entourant l'élément central et dont l'extrémité inférieure est en appui sur l'élément inférieur, un élément de paroi (14) dont l'extrémité inférieure est en appui sur le bord inférieur du pont thermique et dont l'extrémité supérieure est destinée à être fixée sur la paroi de l'enceinte, ledit élément inférieur comprenant : au moins un canal d'alimentation (25) dont une extrémité est en liaison avec le système d'alimentation et l'autre extrémité est en liaison avec une extrémité d'un canal traversant (23) présent dans la pièce centrale (16), ledit canal traversant étant sensiblement parallèle à l'axe de la soupape, son autre extrémité débouchant au niveau du siège de la soupape, un évidement aveugle central (21) destiné à recevoir l'extrémité libre de l'axe de la soupape entouré d'un ressort de tarage (19), ledit trou traversant de l'élément central présentant en son extrémité inférieure un diamètre supérieur de telle sorte qu'en position de montage, le ressort de tarage (19) soit maintenu contre ledit épaulement (20). 5. Dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui est relié à l'alimentation en fluide cryogénique par l'intermédiaire d'un flexible fluidique. 6. Utilisation d'un dispositif d'injection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour le refroidissement de produit en vrac sous forme solide, pâteuse, liquide ou pulvérulente. 2903482 15 7. Procédé de refroidissement de matériau en vrac contenu dans une enceinte, selon lequel un fluide cryogénique est injecté au coeur du matériau à refroidir à l'aide d'au moins un dispositif d'injection tel que décrit à l'une quelconque des revendications 1 à 5, de préférence m dispositifs d'injection répartis symétriquement dans la partie basse de l'enceinte, m étant un entier compris entre 2 et 20, de préférence un nombre pair. 8. Procédé selon la revendication 7, suivant lequel l'enceinte peut être une cuve de malaxeur. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, suivant lequel le matériau à refroidir est sous forme de pulvérulente, liquide, pâteuse ou solide.