Brevet FR2952174A1 — publié le 20110506

La présente invention concerne le domaine des procédés de refroidissement de produits alimentaires dans des appareils du type enceintes ou tunnels. De tels refroidissements se font traditionnellement 5 par deux technologies différentes bien connues de l'homme du métier . - la première fait appel à un système thermodynamique fermé utilisant un cycle frigorifique à compression mécanique de vapeur « froid mécanique » ; 10 - la seconde utilise un système thermodynamique ouvert se caractérisant par l'injection directe ou indirecte d'un fluide cryogénique. Les avantages et les inconvénients de chacune de ces deux technologies sont bien connus et bien analysés dans la 15 littérature. On retient principalement que le froid mécanique nécessite un coût d'investissement « Capex » élevé au profil d'un faible coût de fonctionnement « Opex » tandis que le froid cryogénique offre un Capex relativement faible au détriment d'un Opex élevé puisqu'il 20 est essentiellement lié à la consommation du fluide cryogénique. Dans l'ensemble de ce contexte, on conçoit, et c'est un des objectifs de la présente invention, qu'il serait 25 avantageux de pouvoir disposer d'un nouveau procédé de refroidissement permettant de concilier les deux technologies en combinant leurs avantages. La présente invention souhaite ainsi proposer une nouvelle technologie de tunnel de refroidissement mixte. 30 On sait que ce domaine technique du froid cryogénique met actuellement en oeuvre essentiellement les approches suivantes . - l'emploi d'un tunnel cryogénique à injection directe 35 du fluide cryogénique dans le tunnel, fluide qui se vaporise en extrayant la chaleur des produits. Le gaz est ensuite extrait et rejeté à l'air libre à une température avoisinant les -80 à -60°C quand il s'agit d'azote liquide et de -45°C à -35°C dans le cas du CO2 ; - l'emploi d'un tunnel cryogénique avec injection indirecte du fluide cryogénique (il s'agit principalement d'azote) dans des échangeurs à tubes et ailettes, appelés communément dans ce métier « batteries froides ». Dans ces tunnels cryogéniques de type indirect, le transfert du froid aux produits passe par un échange avec l'air interne du tunnel par l'intervention de moyens de ventilation associés à chaque batterie. Le système étant thermodynamiquement ouvert, on assiste également dans ce cas à un rejet des gaz à l'atmosphère à des températures proches de -80 à -60°C. On notera que si dans cette technologie, les échangeurs à tubes et ailettes sont ceux qui sont le plus couramment utilisés, d'autres types d'échangeurs, tels les échangeurs à canaux sont également utilisés comme table sur laquelle défilent les produits par l'intermédiaire d'un film, l'échange thermique dans ce cas ayant lieu entre la face inférieure du produit et la paroi extérieure de l'échangeur. On l'aura compris, dans les deux cas, direct ou indirect, les gaz rejetés à l'air libre renferment encore une quantité de chaleur sensible non négligeable (80 à 100 kJ/kg) mais non valorisée à ce jour. Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose de recupérer les gaz cryogéniques à leur température d'extraction en vue de les valoriser énergétiquement et ainsi abaisser le coût de fonctionnement d'un tel tunnel cryogénique. Il s'agit alors de récupérer ces gaz et les faire passer dans un condenseur de machine frigorifique dont l'évaporateur (batterie froide) est placé à l'intérieur du tunnel, préférentiellement du côté entrant des produits. Si la présente invention vise préférentiellement les technologies d'injection indirecte elle s'applique également sans difficulté aux enceintes ou tunnels à injection directe, on comprendra néanmoins sans difficulté que dans ce dernier cas il est préférable de positionner un élément de traitement des gaz froids extraits avant leur arrivée dans le condenseur, ceci notamment en vue de les filtrer. La présente invention concerne alors une installation de refroidissement cryogénique de produits, comprenant un tunnel cryogénique dans lequel circulent des produits à refroidir ou surgeler, tunnel équipé de moyens d'injection d'un fluide cryogénique ainsi que de moyens d'extraction de tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes . - l'installation comprend un échangeur (condenseur) extérieur au tunnel, apte à recevoir tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, pour permettre à ces gaz de céder au condenseur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - l'installation comprend, préférentiellement dans la zone d'entrée du tunnel, un échangeur / batterie froide, batterie froide entrant dans la constitution, avec ledit condenseur, d'un système de production de froid mécanique. La notion de « zone d'entrée » d'un tunnel est connue de l'homme du métier, mais nous préciserons néanmoins que l'échangeur/batterie froide de froid mécanique conforme à l'invention peut être présente dans une zone s'étendant jusqu'à un cinquième de la longueur du tunnel. La présente invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection directe du fluide cryogénique dans le tunnel, fluide qui se vaporise en extrayant de la chaleur des produits. - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte du fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, par exemple des échangeurs à tubes et ailettes. - Ladite batterie froide conforme à l'invention dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie initialement présente dans le tunnel qui est un tunnel de type à injection indirecte. - Ladite batterie froide conforme à l'invention dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie additionnelle, qui a été ajoutée au tunnel, qui est un tunnel de type à injection directe ou de type à injection indirecte. - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte qui est muni d'une sole, dotée de canaux où circule le fluide cryogénique, apte ainsi à refroidir le dessous des produits qui y défilent par un contact direct, les échangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en termes de circulation du cryogène en série ou en parallèle. La présente invention concerne également un procédé de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, utilisant un tunnel cryogénique, tunnel équipé de moyens d'injection d'un fluide cryogénique ainsi que de moyens d'extraction de tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : - on dispose d'un échangeur extérieur au tunnel, dans lequel on achemine tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder au condenseur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - on dispose, préférentiellement dans la zone d'entrée du tunnel, d'un échangeur / batterie froide, batterie froide entrant dans la constitution, avec ledit condenseur, d'un système de production de froid mécanique, et que l'on utilise comme suit : i) on fait circuler dans ladite batterie froide un fluide frigorigène ; j) le fluide frigorigène obtenu en sortie de batterie froide subit une compression permettant d'élever sa pression et sa température, avant d'être envoyé dans ledit condenseur extérieur, au sein duquel il échange avec lesdites vapeurs froides et subit une condensation ; k) le liquide frigorigène obtenu en sortie de condenseur extérieur subit une détente permettant d'abaisser sa pression et sa température, avant d'être ré-acheminé dans ladite batterie froide. La présente invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection directe du fluide cryogénique dans le tunnel, fluide qui se vaporise en extrayant de la chaleur des produits. - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte du fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, par exemple des échangeurs à tubes et ailettes. - Ladite batterie froide conforme à l'invention dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie initialement présente dans le tunnel qui est un tunnel de type à injection indirecte. - Ladite batterie froide conforme à l'invention dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie additionnelle, qui a été ajoutée au tunnel, qui est un tunnel de type à injection directe ou de type à injection indirecte. - Le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte qui est muni d'une sole, dotée de canaux où circule le fluide cryogénique, apte ainsi à refroidir le dessous des produits qui y défilent par un contact direct, les échangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en termes de circulation du cryogène en série ou en parallèle, notamment selon la nature des produits à traiter, les gaz froids acheminés vers le condenseur extérieur étant alors obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole. Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, on organise donc selon l'invention un couplage entre le système cryogénique du tunnel et un système frigorifique (froid mécanique) ajouté, ceci via le condenseur extérieur. Selon la présente invention, le condenseur du système frigorifique est un échangeur dont le fluide froid est constitué de gaz cryogéniques extraits de la zone cryogénique du tunnel (par exemple à une température proche de -80°C), tandis que de l'autre coté du condenseur/échangeur le fluide « chaud » est le fluide frigorigène (par exemple du CO2r de l'ammoniac ou encore un hydrocarbure tel le propane, l'isobutane, ...), qui en sortie du compresseur à pression et température accrues, pénètre dans l'échangeur, où il subit un refroidissement pour atteindre sa température de rosée puis une condensation. Le liquide frigorigène obtenu en sortie du condenseur extérieur à haute pression subit une détente, abaissant sa pression et sa température, menant à son évaporation dans la batterie froide interne au tunnel, y produisant en s'évaporant la puissance frigorifique requise par la partie mécanique du dispositif et procédé de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels : la figure 1 est une vue schématique partielle d'un tunnel conforme à l'invention de type à injection indirecte ; la figure 2 est une vue schématique partielle d'un tunnel conforme à l'invention de type à injection directe, mettant en oeuvre un moyen de filtration sur le parcours des gaz extraits avant leur arrivée dans le condenseur extérieur ; la figure 3 fournit le résultat de travaux de simulation effectués par la Demanderesse qui ont permis de montrer qu'il existe un optimum de température de condensation situé entre 10°C à 15°C. On reconnaît sur la figure 1 un tunnel cryogénique de surgélation de produits, tunnel de type à injection indirecte, muni d'échangeurs (batteries 2 et 3) et d'une sole, alimentés en azote liquide par un réservoir de stockage d'azote liquide, tunnel de type connu et que l'on a déjà bien décrit ci-dessus, on ne procèdera donc pas ici à nouveau à sa description détaillée. On se concentrera donc davantage dans ce qui suit sur ce qui est remarquable dans ce tunnel conformément à la présente invention. Conformément à l'invention : - on dispose d'un échangeur/condenseur extérieur au tunnel, dans lequel, grâce aux moyens d'extraction associés au fonctionnement de ce tunnel (non représentés en détail sur la figure), on achemine tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation du fluide dans le tunnel (gaz extrait des échangeurs et/ou de la sole), permettant à ces gaz de céder au condenseur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur, ce que l'on visualise bien sur la figure ; - on dispose, dans la zone d'entrée du tunnel, d'un échangeur / batterie froide, batterie froide entrant dans la constitution, avec le condenseur, d'un système de production de froid mécanique, et que l'on utilise comme suit . i) on fait circuler dans la batterie froide d'entrée un fluide frigorigène (par exemple un hydrocarbure) ; j) le fluide frigorigène obtenu en sortie de batterie froide subit une compression permettant d'élever sa pression et sa température, avant d'être envoyé dans le condenseur extérieur, au sein duquel il échange avec les vapeurs froides extraites du tunnel, et subit une condensation ; k) le liquide frigorigène obtenu en sortie de condenseur extérieur subit ensuite une détente permettant d'abaisser sa pression et sa température, avant d'être ré-acheminé dans la batterie froide et ainsi de suite dans un cycle de froid mécanique que l'on comprend bien. On insistera ici sur les points suivants : 25 30 35 La figure 1 illustre deux situations possibles conformes à l'invention : i) le tunnel initial comprend les batteries 2 et 3 et conformément à l'invention on ajoute la batterie 1 en 5 entrée et le condenseur extérieur bien entendu ; j) le tunnel initial comprend les batteries 1, 2 et 3 et conformément à l'invention nous « détournons » Si l'on peut dire la batterie 1 pour l'intégrer dans un cycle mécanique en ajoutant le condenseur extérieur bien entendu 10 (comme on le verra plus loin c'est cette seconde situation qui est illustrée dans un exemple de calcul thermoéconomique). Par ailleurs le tunnel représenté ici possède une sole, mais bien entendu dans d'autres tunnels de cette 15 industrie la sole n'est pas présente et néanmoins l'invention peut tout à fait y être mise en oeuvre. La figure 2 permet quant à elle de visualiser un tunnel conforme à l'invention de type à injection directe 20 (on visualise sur la figure des modules de pulvérisation - spray - alimentés en azote liquide à partir du stockage). Conformément à l'invention, le tunnel est muni d'un système d'extraction des gaz résultant de la vaporisation du cryogène dans le tunnel, et l'on achemine tout ou partie 25 des gaz froids résultant de la vaporisation du fluide dans le tunnel vers le condenseur extérieur, ces gaz froids transitant, avant d'atteindre le condenseur, par des moyens de filtration. Conformément à l'invention, on a ajouté à la structure 30 initiale de ce tunnel, soit en amont de son entrée dans une structure ajoutée, soit au sein de sa propre zone d'entrée, un échangeur / batterie froide (batterie 1), batterie froide utilisée comme précédemment décrit. Dans un cas comme dans l'autre des exemples présentés, la présence de cette batterie froide d'entrée, d'apport de froid mécanique présente les avantages suivants : - la batterie 1 étant alimentée par un circuit frigorifique indépendant, elle peut servir d'un pré-refroidisseur des produits entrants ; l'air sera refroidi à cet endroit à une température voisine de -38°C, d'où une température d'évaporation de -45°C environ ; - ce niveau de température est également avantageux pour la récupération d'un maximum de givre sur cette batterie, d'où une meilleure efficacité thermique des batteries 2 et 3 en aval, alimentées ici par de l'azote liquide, et qui permettent de produire un air à une température de l'ordre de -100°C à -120°C ; - l'alimentation de la batterie 1 par un groupe frigorifique indépendant permet également de maîtriser les cycles de dégivrage qui peuvent être aisément effectués par inversion du cycle frigorifique, d'où un fonctionnement plus long du tunnel dans le temps et une capacité de production plus élevée dans la journée. La température de condensation du fluide frigorigène conditionne la puissance frigorifique délivrée à la batterie 1, sa surface d'échange et la puissance consommée par le compresseur. Des travaux de simulation développés par la Demanderesse ont permis de montrer qu'il existe un optimum de température de condensation situé entre 10°C à 15°C. (rapportés en figure 3 annexée). Par rapport à un tunnel cryogénique à injection indirecte à configuration égale (à savoir en considérant l'exemple du tunnel de la figure 1 muni dès l'origine des batteries 1, 2, 3 alimentées en cryogénie), l'insertion d'un groupe frigorifique est simple et peu coûteuse en consommation d'énergie, elle permet ainsi d'abaisser le coût opérationnel du tunnel cryogénique : - économie d'environ 20% de consommation du fluide cryogénique ; - amélioration de la productivité ; - maîtrise du phénomène de dégivrage via la première batterie. Pour mieux visualiser ces avantages économiques, on 10 fournit dans ce qui suit une estimation des coûts thermoéconomiques en jeu selon l'invention. Considérons l'exemple d'un tunnel cryogénique à injection indirecte et permettant la congélation de 15 1000kg/h d'un produit alimentaire donné avec une consommation voisine de 1200 1/h d'azote liquide. La température des gaz de sortie de tunnel dans une telle configuration est d'environ -80°C. Comme on va l'expliciter ci-dessous, la valorisation de ces gaz selon 20 la présente invention permet la récupération d'environ 24 kW. Les gaz froids entrent dans le condenseur à environ -80°C, et en ressortent à environ 15°C, tandis que le 25 fluide frigorigène (ici du R404A) en provenance de la batterie 1 entre dans le condenseur en circulation contre courant à environ 92°C pour en ressortir à environ 13°C. Le système frigorifique du froid mécanique à installer doit ainsi évacuer au niveau de son condenseur environ 24 30 kW de puissance calorifique. La puissance frigorifique produite au niveau de son évaporateur (batterie 1 de la figure 1) dépend bien évidemment du niveau de température d'air désiré et de la performance du compresseur associé au système. 35 Un calcul thermodynamique de ce cycle respectant les règles classiques en la matière permet de montrer que dans telle configuration, la puissance frigorifique est d'environ 17 kW pour une température d'air à -35°C et d'environ 16kW pour une température d'air à -40°C. Pour un coefficient de performance (COP) de l'installation dans une telle situation d'environ 1.6 à 1.8, le compresseur consommera 9 à 10 kW électriques et doit pouvoir offrir un volume balayé d'environ 20m3/h, alors que le condenseur extérieur doit offrir une surface d'échange d'environ 3.5 m2. Comme on le constate d'après ces calculs, la taille de ce système frigorifique reste moyenne et largement disponible sur le marché. Ainsi, l'évaporateur (batterie 1) de cette installation est disponible avec son ventilateur au sein du tunnel (comme on l'a déjà dit plus haut la batterie 1 était déjà présente dans le tunnel initial, même si elle était alimentée en liquide cryogénique, elle ne nécessite donc pas d'être réinvestie), et l'investissement porte alors uniquement sur l'ensemble «condenseur + compresseur + détendeur » qui est très faible (ceci n'excède pas 8 à 10 k{). L'alimentation de seulement deux batteries du tunnel à l'aide d'azote liquide tel que proposé ici, au lieu de trois batteries comme dans le cas initial, permet d'économiser 15 à 20% de consommation d'azote. Revendications1. Installation de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, comprenant un tunnel cryogénique dans lequel circulent des produits à refroidir ou surgeler, tunnel équipé de moyens d'injection d'un fluide cryogénique ainsi que de moyens d'extraction de tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes . - l'installation comprend un échangeur/condenseur) extérieur au tunnel, apte à recevoir tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, pour permettre à ces gaz de céder au condenseur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - l'installation comprend, préférentiellement dans la zone d'entrée du tunnel, un échangeur / batterie froide, batterie froide entrant dans la constitution, avec ledit condenseur, d'un système de production de froid mécanique. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection directe du fluide cryogénique dans le tunnel, fluide qui se vaporise en extrayant de la chaleur des produits. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte du fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, par exemple des échangeurs à tubes et ailettes. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite batterie froide est une batterie initialement présente dans le tunnel. 5. Installation selon l'une des revendication 1 à 3, caractérisée en ce que ladite batterie froide est une batterie additionnelle, qui a été ajoutée au tunnel, qui est un tunnel de type à injection directe ou de type à injection indirecte. 6. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte qui est muni d'une sole, dotée de canaux où circule le fluide cryogénique, apte ainsi à refroidir le dessous des produits qui y défilent par un contact direct, les échangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en termes de circulation du cryogène en série ou en parallèle. 7. Procédé de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, utilisant un tunnel cryogénique, tunnel équipé de moyens d'injection d'un fluide cryogénique ainsi que de moyens d'extraction de tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes . - on dispose d'un échangeur/condenseur extérieur au tunnel, dans lequel on achemine tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder au condenseur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - on dispose, préférentiellement dans la zone d'entrée du tunnel, d'un échangeur / batterie froide, batterie froide entrant dans la constitution, avec ledit condenseur, d'un système de production de froid mécanique, et que l'on utilise comme suit : i) on fait circuler dans ladite batterie froide un fluide frigorigène ; j) le fluide frigorigène obtenu en sortie de 35 batterie froide subit une compression permettantd'élever sa pression et sa température, avant d'être envoyé dans ledit condenseur extérieur, au sein duquel il échange avec lesdites vapeurs froides et subit une condensation, k) le liquide frigorigène obtenu en sortie de condenseur extérieur subit une détente permettant d'abaisser sa pression et sa température, avant d'être ré-acheminé dans ladite batterie froide. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection directe du fluide cryogénique dans le tunnel, fluide qui se vaporise en extrayant de la chaleur des produits. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte du fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, par exemple des échangeurs à tubes et ailettes. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite batterie froide dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie initialement présente dans le tunnel qui est un tunnel de type à injection indirecte. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite batterie froide dans laquelle on fait circuler un fluide frigorigène est une batterie additionnelle, qui a été ajoutée au tunnel, qui est un tunnel de type à injection directe ou de type à injection indirecte. 12. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tunnel est un tunnel cryogénique de type à injection indirecte qui est muni d'une sole, dotée de canaux où circule le fluide cryogénique, apte ainsi àrefroidir le dessous des produits qui y défilent par un contact direct, les échangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en termes de circulation du cryogène en série ou en parallèle, les gaz froids acheminés vers le condenseur extérieur étant alors obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole.