Brevet FR2932721A1 — publié le 20091225

La présente invention concerne le domaine du transport et de la distribution de produits thermosensibles, elle s'intéresse en particulier au cas des produits pharmaceutiques et des produits alimentaires. Le respect de la chaîne du froid ainsi que la qualité sanitaire des produits alimentaires sont devenus des enjeux majeurs dans les circuits logistiques. Dans les pays développés et en développement, le respect de l'environnement et la réduction des nuisances sonores prennent de plus en plus d'importance. Il existe aujourd'hui une alternative au froid mécanique pour la réfrigération d'enceintes closes (par exemple de camions de transport et réfrigération de denrées) constituée par l'utilisation de fluides cryogéniques. Dans le cadre du transport primaire et secondaire en camions réfrigérés, deux solutions on été évoquées par ce domaine industriel, utilisant l'azote liquide comme fluide cryogénique. La première technologie consiste à injecter de l'azote liquide directement dans l'enceinte (� injection directe �) et d'y réaliser sa vaporisation. Le principal avantage de cette première technologie est la performance frigorifique du système ; en effet, la première mise en température de l'enceinte prend quelques minutes et la redescente en température après chaque ouverture de porte est quasi-instantanée après injection directe d'azote liquide dans l'enceinte. Cependant, il faut considérer les risques liés à l'injection directe d'azote liquide : anoxie, brûlures par le froid, d'où la proposition de mettre en place de systèmes de ventilation temporisée avant ouverture des portes et/ou de systèmes de détection d'une teneur minimum en oxygène en fonction de dispositions légales concernant la santé des personnes. Une alternative à l'azote liquide est d'utiliser de l'air liquide comme fluide cryogénique et de l'injecter directement dans l'enceinte close. Il est connu néanmoins que le stockage d'un mélange cryogénique (ici azote liquide et oxygène liquide) est une opération délicate, en raison de l'enrichissement progressif du liquide en son constituant le plus lourd, à savoir l'oxygène. La seconde technologie (dite � injection indirecte �) utilise un échangeur de chaleur (par exemple un simple serpentin), dans lequel circule un fluide cryogénique, l'enceinte étant par ailleurs munie d'un système de circulation d'air (ventilateurs) mettant en contact cet air avec les parois froides de l'échangeur, ce qui permet ainsi de refroidir l'air. Les problèmes liés à la sécurité des personnes sont ainsi éliminés mais en revanche la performance frigorifique diminue (en particulier le re-conditionnement de l'enceinte après une ouverture de porte se fait de façon beaucoup plus lente que dans le cas de l'injection directe). Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention souhaite proposer une nouvelle solution technique d'injection directe, permettant à la fois la sécurité totale apportée par une réfrigération à l'air, et la simplicité logistique d'une source azote liquide. Pour ceci, la présente invention propose d'utiliser une source d'air comprimé qui est disponible à bord des camions visés, en prélevant une partie de l'air disponible au refoulement du turbo du moteur du camion (après le radiateur (refroidisseur d'air), et avant l'entrée moteur). Cet air comprimé est envoyé à contre-courant vers un échangeur (que l'on peut qualifier de principal) dans lequel il est refroidi, éventuellement liquéfié, contre un fluide cryogénique (préférentiellement de l'azote liquide), avec un rendement qui va pouvoir être voisin de 100%. Cet air refroidi, ou liquéfié, est injecté directement dans le compartiment réfrigéré de transport de produits thermosensibles, en lieu et place de l'azote liquide, évitant ainsi tout risque d'anoxie pour les opérateurs puisqu'il n'existe plus aucune connexion directe entre ce compartiment et la source d'azote liquide. Selon une des mises en oeuvre de l'invention qui n'est pas préférée selon la présente invention, mais qui peut avoir l'avantage de s'adapter tout particulièrement au cas où le camion est déjà conçu et muni d'un système de refroidissement par injection indirecte, et donc d'un système d'échangeur indirect (par exemple de type serpentin) présent dans la chambre de stockage des produits, le fluide cryogénique, en provenance de la réserve de fluide cryogénique, transite, avant d'atteindre ledit système d'échangeur principal par l'échangeur indirect interne, les vapeurs froides d'azote obtenues en sortie d'échangeur indirect interne (qui sont actuellement dans cette industrie perdues) étant alors dirigées vers le système d'échangeur principal à contre courant de l'air prélevé sur le turbo (en quelque sorte dans cette mise en oeuvre, les vapeurs froides d'azote de l'injection indirecte ne sont pas perdues et sont utilisées comme fluide froid pour refroidir l'air prélevé sur le turbo). L'invention concerne alors un procédé de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - et d'un système d'échangeur thermique principal, se caractérisant en ce que tout ou partie des frigories apportées aux produits est apportée dans les conditions suivantes : - on prélève une partie de l'air disponible au refoulement du turbo du moteur du camion ; - on envoie cet air comprimé prélevé dans le système d'échangeur thermique principal à contre courant, contre ledit fluide cryogénique, afin d'y réaliser le refroidissement ou la liquéfaction de cet air ; - on injecte dans la dite au moins une chambre l'air ainsi refroidi ou liquéfié. Le procédé pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'air subit, avant d'entrer dans ledit système d'échangeur thermique principal, une opération de séchage par adsorption ou encore dans une 30 membrane de déshydratation. - l'air subit, avant d'entrer dans ledit système d'échangeur thermique principal, une opération de séchage par condensation frigorifique de la manière suivante : l'air prélevé sur le turbo est prérefroidi avant d'aborder le système d'échangeur principal, dans un échangeur � amont �, à contre courant du fluide cryogénique issu du système d'échangeur principal . - on procède à une opération de dégivrage du système d'échangeur principal, après chaque ou plusieurs cycle(s) d'utilisation frigorifique, de la manière suivante : on prélève une partie de l'air disponible au refoulement du turbo du moteur du camion, que l'on envoie dans la voie de l'échangeur principal normalement dédiée à la circulation de l'air quand il est en échange thermique avec ledit fluide cryogénique, mais en sens inverse du sens normal de circulation de cet air. - le camion est également muni d'un système de refroidissement par injection indirecte comprenant un système d'échangeur indirect interne à ladite au moins une chambre, le fluide cryogénique, en provenance de la réserve de fluide cryogénique, transitant, avant d'atteindre ledit système d'échangeur principal par l'échangeur indirect interne, les vapeurs froides du fluide cryogénique obtenues en sortie d'échangeur indirect interne étant alors dirigées vers le système d'échangeur principal à contre courant de l'air prélevé au refoulement du turbo. On va expliquer plus en détails ci-dessous pourquoi on dispose d'une quantité suffisante d'air comprimé par rapport à la puissance nominale du turbo-compresseur, pour en prélever une partie. Bien que les valeurs varient sensiblement en fonction du régime moteur, on retiendra les valeurs fournies par la littérature et par exemple par Les Techniques de l'Ingénieur. A titre illustratif, en considérant un exemple où à puissance nominale, le débit d'air turbocompressé est de 5,3 kg d'air par kWh d'énergie moteur ; si on retient une puissance moteur nominale de 100 kW (136 CV), le débit d'air est donc de 530 kg/h (147 g/s, 411 Nm3/h). Si l'on considère le cas d'une consommation frigorifique de 10 litres d'azote liquide par heure, ce qui correspond approximativement à la liquéfaction de 10 litres d'air par heure, soit 8kg, on déduit que le besoin de soutirage sur l'air disponible au turbo est de l'ordre de 8/530 soit 1,5 %. Et donc même en considérant que les appels de froid ne sont pas constants, mais séquentiels, on prenant en compte l'hypothèse d'un appel de froid sur 20% du temps, la part prélevée sur le turbo reste de l'ordre de 5x1,5% soit 7,5%, et l'on considère raisonnablement selon la présente invention que cette charge supplémentaire est admissible. On notera par ailleurs que le taux de compression d'un turbo se situe 10 en dessous d'un maximum de 3 (3 bar absolus), et varie fortement avec le régime moteur. On doit donc tenir compte de cette pression, positive mais modérée, dans le dimensionnement de l'échangeur entre air et azote liquide. 15 On va expliquer maintenant plus en détails ci-dessous comment l'on adresse le problème d'un air humide (prélevé sur le turbo) appelé à être refroidi très sensiblement en dessous de 0 °C, et les inconvénients qui pourraient en résulter. On le conçoit, un échangeur air humide/azote liquide ne peut 20 fonctionner en continu sans bouchage ; dans ce cas précis, il convient de tenir compte des aspects suivants : - Le fonctionnement sera nécessairement intermittent, on peut alors utiliser des solutions qui supportent un certain degré de bouchage, pendant la phase active, suivi d'une phase de dégivrage pendant les périodes où le 25 système ne fonctionne pas, ou encore des solutions du type � échangeur réversible �, dans lesquelles le fonctionnement est rendu continu par une inversion régulière des passages air et azote. - L'air entrant contiendra une quantité relativement importante d'eau : en effet, le turbocompresseur délivre un air peu comprimé (2-3 bar absolu), et 30 peu refroidi à la sortie du refroidisseur d'air (typiquement 40°C) ; il n'y a donc aucune possibilité de condensation partielle de l'eau en jouant à la fois sur une compression plus élevée et sur un refroidissement plus efficace pour éliminer une bonne partie de l'eau par condensation comme ceci se pratique dans d'autres systèmes. Dans le cas présent, nous devons considérer que l'air contiendra la totalité de l'humidité atmosphérique du moment, puisqu'aucune condensation partielle ne sera intervenue avant l'entrée sur l'échangeur. On peut alors penser à disposer avant celui-ci des moyens tels qu'une batterie de séchage par adsorption, ou encore une membrane de déshydratation, mais leur taille importante du fait de la modicité de la pression disponible sur l'air comprimé n'en fait pas une solution préférée selon la présente invention. On préférera réaliser une condensation frigorifique du maximum d'eau liquide en profitant de la présence de la source froide de fluide cryogénique, par exemple d'azote. Pour cela, comme illustré sur la figure 1 ci-après, l'air prélevé sur le turbo est prérefroidi avant d'aborder le système d'échangeur principal, dans un échangeur � amont �, on dimensionne l'échangeur amont air humide/azote avec un point de coupure régulé au dessus de 0°C, avec une purge de toute l'eau liquide qui est condensée dans le pot décanteur visualisé sur la figure. Ainsi l'air, certes encore humide, qui entre dans le système d'échangeur principal ne contient plus que l'équivalent à la tension de vapeur à 2-3°C, soit environ 6g d'eau par m3 réel ; en prenant une pression d'air de 2 bar absolu et un débit d'air inférieur à 10 m3 par phase d'injection ( 5 m3 réels sous 2 bar absolu), on comprend que la quantité de glace ne dépassera alors pas 30 grammes, ce qui est facilement supportable par l'échangeur, à condition de prévoir dans la zone entre 0°C et -10/-20°C des sections de passage suffisantes pour éviter le bouchage ; à plus basse température, les quantités de vapeur d'eau résiduelles se traduiront par un simple dépôt de givre sans conséquence pratique pour un fonctionnement intermittent. Pour s'assurer que la température reste positive au niveau du pot décanteur, on peut prévoir un bipasse sur l'azote froid, asservi à une mesure de température dans le pot. Le but est ici d'avoir une température dans le pot qui reste positive, sachant que l'air arrive relativement chaud en provenance du moteur et qu'il est refroidi jusqu'à la température de consigne dans le pot par échange dans la première partie de l'échangeur avec le cryogène qui a déjà transféré des frigories à l'air déshumidifié dans la deuxième partie de l'échangeur. Cet azote liquide été en contact à contre-courant avec l'air dans la deuxième partie de l'échangeur où il est utilisé pour refroidir voire liquéfier l'air déshumidifié. Si la température dans le pot est trop basse, c'est que le débit de cryogène pour pré-refroidir l'air issu du moteur jusqu'à une température positive est trop élevé et que donc cet air est trop refroidi : il faudra donc envoyer une partie de ce débit de cryogène vers le by-pass de façon à réduire l'apport frigorifique au niveau du pot et garantir ainsi la température positive de consigne. La présente invention concerne également un dispositif de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - et d'un système d'échangeur thermique principal, et comprenant : - des moyens de prélèvement d'une partie de l'air disponible au 20 refoulement du turbo du moteur du camion ; - des moyens pour diriger cet air comprimé prélevé dans le système d'échangeur thermique principal à contre courant, contre ledit fluide cryogénique, afin d'y réaliser le refroidissement ou la liquéfaction de cet air ; - des moyens d'injection dans la dite au moins une chambre de l'air 25 ainsi refroidi ou liquéfié. Selon un des modes de mise en oeuvre, on dispose de moyens de séchage de l'air avant que celui-ci n'entre dans ledit système d'échangeur thermique principal, par adsorption ou encore sous la forme d'une membrane de déshydratation. 30 Selon un autre des modes de mise en oeuvre, on dispose de moyens de séchage de l'air par condensation frigorifique avant que celui-ci n'entre dans ledit système d'échangeur thermique principal, comprenant un échangeur � amont � dans lequel circule l'air prélevé sur le turbo avant d'aborder le système d'échangeur principal, à contre courant du fluide cryogénique issu du système d'échangeur principal . Selon un autre des modes de mise en oeuvre, le camion est également muni d'un système de refroidissement par injection indirecte comprenant un système d'échangeur indirect interne à ladite au moins une chambre, et l'on dispose de moyens permettant de faire transiter le fluide cryogénique, en provenance de la réserve de fluide cryogénique, avant que celui-ci n'atteigne ledit système d'échangeur principal, par l'échangeur indirect interne, les vapeurs froides du fluide cryogénique obtenues en sortie d'échangeur indirect interne étant alors dirigées vers le système d'échangeur principal à contre courant de l'air prélevé au refoulement du turbo. La présente invention sera mieux comprise à la lumière de la description détaillée de certains modes de réalisation tels que décrits sur les dessins annexés. Ces modes de réalisation particuliers ne sont présentés que dans un but d'illustration et ne peuvent être considérés comme limitatifs de l'invention. - la figure 1 est une représentation schématique d'une installation de mise en oeuvre de l'invention permettant d'adresser la question de l'air humide, installation déjà évoquée ci-dessus. - la figure 2 permet de visualiser (en traits tiretés) un circuit de dégivrage qui peut être activé après chaque ou plusieurs cycle(s) d'utilisation frigorifique. - la figure 3 illustre un mode de mise en oeuvre de l'invention (injection directe). - la figure 4 illustre un autre mode de mise en oeuvre de l'invention (apport mixte). Sur la figure 2 on a représenté en traits tiretés et en flèches grisées un circuit de dégivrage qui pourra être activé après chaque ou plusieurs cycle(s) d'utilisation frigorifique (on l'a compris il reste tout de même une certaine teneur en vapeur d'eau dans l'air, même épuré sur le pot décanteur, d'où la formation régulière de givre). Le balayage se fait avec de l'air � chaud � venant du turbo, à contre courant sur la partie de l'échangeur en dessous de 0°C, et la sortie par la purge normalement dévolue à l'évacuation de l'eau liquide. Comme on peut le constater sur la figure, le mode illustré ici envoie (via un système de vannes adéquat) de l'air chaud non pas dans l'échangeur amont mais vers le haut de la figure (trait tireté) dans la deuxième partie de l'échangeur principal en contre-courant de ce qu'est le circuit normal de l'air refroidi ou liquéfié ; cet air chaud sort ensuite par le pot décanteur. La figure 3 illustre de façon schématique une mode de réalisation de l'invention permettant une substitution totale d'un système à injection directe d'azote, avec le risque d'anoxie que l'on connaît, par une solution à injection directe d'air froid ou liquéfié conforme à l'invention. Dans ce cas, et selon le dimensionnement de l'échangeur et le rapport des débits entre azote et air, on peut produire soit de l'air liquide (dans un rapport voisin de 1 pour 1), soit de l'air au voisinage de son point de rosée (dans un rapport de deux � air � pour un � azote �), soit encore des quantités plus importantes d'air à une température supérieure. Cette dernière solution n'est cependant pas préférée, car elle augmente d'autant la charge sur le turbo et les problèmes d'air humide. Comme on l'aura noté la figure 3 illustre un mode comprenant le système d'échangeur amont et de pot décanteur permettant de sécher l'air prélevé sur le turbo avant son entrée dans le système d'échangeur principal (système déjà décrit ci-dessus en liaison avec la figure 1). La figure 4 permet d'illustrer une variante de mise en oeuvre de l'invention, tout particulièrement adaptable à un camion déjà muni d'un système d'injection indirecte, dont on connaît les avantages vis-à-vis du risque anoxie, mais le désavantage en terme de moins bon rendement, puisque le système ne permet pas la récupération totale de l'enthalpie des vapeurs froides (laquelle représente 50% du potentiel froid total de l'azote liquide, vaporisé et réchauffé jusqu'au voisinage de l'ambiante). Ce système vient en complément de l'injection indirecte en récupérant sur l'échangeur principal l'enthalpie des vapeurs froides de l'azote évaporé dans l'échangeur indirect, qui sont transférées à un porteur air prélevé sur le turbo, donc sans risque d'anoxie. ----------------------- REVENDICATIONS1. Procédé de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - et d'un système d'échangeur thermique principal, se caractérisant en ce que tout ou partie des frigories apportées aux produits est apportée dans les conditions suivantes : - on prélève une partie de l'air disponible au refoulement du turbo du moteur du camion ; - on envoie cet air comprimé prélevé dans le système d'échangeur thermique principal à contre courant, contre ledit fluide cryogénique, afin d'y réaliser le refroidissement ou la liquéfaction de cet air ; - on injecte dans la dite au moins une chambre l'air ainsi refroidi ou liquéfié. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air subit, avant d'entrer dans ledit système d'échangeur thermique principal, une opération de séchage par adsorption ou encore dans une membrane de déshydratation. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'air subit, avant d'entrer dans ledit système d'échangeur thermique principal, une opération de séchage par condensation frigorifique de la manière suivante : l'air prélevé sur le turbo est prérefroidi avant d'aborder le système d'échangeur principal, dans un échangeur � amont �, à contre courant du fluide cryogénique issu du système d'échangeur principal . 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que on procède à une opération de dégivrage du système d'échangeur principal, après chaque ou plusieurs cycle(s) d'utilisation frigorifique, de la manière suivante : on prélève une partie de l'air disponible au refoulement du turbo du moteur du camion, que l'on envoie dans la voie de l'échangeurprincipal normalement dédiée à la circulation de l'air quand il est en échange thermique avec ledit fluide cryogénique, mais en sens inverse du sens normal de circulation de cet air. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le camion est également muni d'un système de refroidissement par injection indirecte comprenant un système d'échangeur indirect interne à ladite au moins une chambre, et en ce que le fluide cryogénique, en provenance de la réserve de fluide cryogénique, transite, avant d'atteindre ledit système d'échangeur principal, par l'échangeur indirect interne, les vapeurs froides du fluide cryogénique obtenues en sortie d'échangeur indirect interne étant alors dirigées vers le système d'échangeur principal à contre courant de l'air prélevé au refoulement du turbo. 6. Dispositif de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - et d'un système d'échangeur thermique principal, comprenant : - des moyens de prélèvement d'une partie de l'air disponible au 20 refoulement du turbo du moteur du camion ; - des moyens pour diriger cet air comprimé prélevé dans le système d'échangeur thermique principal à contre courant, contre ledit fluide cryogénique, afin d'y réaliser le refroidissement ou la liquéfaction de cet air ; - des moyens d'injection dans la dite au moins une chambre de l'air 25 ainsi refroidi ou liquéfié. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on dispose de moyens de séchage de l'air avant que celui-ci n'entre dans ledit système d'échangeur thermique principal, par adsorption ou encore sous la forme d'une membrane de déshydratation. 30 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on dispose de moyens de séchage de l'air par condensation frigorifique avant que celui-ci n'entre dans ledit système d'échangeur thermique principal, comprenantun échangeur � amont � dans lequel circule l'air prélevé sur le turbo avant d'aborder le système d'échangeur principal, à contre courant du fluide cryogénique issu du système d'échangeur principal . 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le camion est également muni d'un système de refroidissement par injection indirecte comprenant un système d'échangeur indirect interne à ladite au moins une chambre, et en ce que l'on dispose de moyens permettant de faire transiter le fluide cryogénique, en provenance de la réserve de fluide cryogénique, avant que celui-ci n'atteigne ledit système d'échangeur principal, par l'échangeur indirect interne, les vapeurs froides du fluide cryogénique obtenues en sortie d'échangeur indirect interne étant alors dirigées vers le système d'échangeur principal à contre courant de l'air prélevé au refoulement du turbo. ---------------------------------