Brevet FR2959139A1 — publié le 20111028

La présente invention concerne le domaine des procédés de refroidissement du contenu d'une enceinte à l'aide d'un liquide cryogénique. Elle concerne, en particulier, le refroidissement de produits alimentaires dans des appareils du type mélangeurs, malaxeurs, broyeurs ou pétrins, le contenu de l'appareil pouvant être alors solide ou pâteux comme c'est le cas de la viande, ou encore liquide. Et l'invention s'intéresse tout particulièrement aux procédés de régulation du fonctionnement de telles enceintes. Dans de telles applications d'utilisation des liquides cryogéniques pour le refroidissement de produits alimentaires dans des malaxeurs/broyeurs, l'utilisation de CO2 est privilégiée, pour sa capacité à transférer beaucoup de frigories au changement d'état. En considérant l'exemple des mélangeurs de viande, on sait qu'il existe une littérature très abondante concernant l'utilisation de CO2 liquide, tout particulièrement en injection dans la partie basse du malaxeur, afin d'améliorer les conditions d'échange thermique entre le liquide cryogénique et la viande. On se reportera, par exemple, aux documents US-4,476,686 et EP-744,578. L'application au domaine de la viande est en effet tout à fait massive et emblématique (les produits concernés sont très variés, steak haché (boeuf, veau), viande égrainée, haché de porc (saucisses..), haché de volailles (cordon bleu, nuggets etc....)), d'un domaine où le contrôle de la température dans le malaxeur doit être très efficace : - il est nécessaire de compenser l'échauffement mécanique lié au mélange et au hachage ; - il est souhaitable d'obtenir une texture compatible pour le formage ultérieur. Mais il faut noter que pour plusieurs raisons, la demande de ce secteur industriel pour le contrôle de température de malaxeurs broyeurs s'oriente vers l'utilisation d'azote liquide. Or on sait que pour l'azote liquide, la valorisation des frigories au changement d'état est deux fois moins importante que pour le CO2. On résume alors dans ce qui suit pour mémoire les principales caractéristiques des procédés d'injection haute ou basse, en CO2 ou en azote, dans de tels malaxeurs. L'injection haute CO2 : - on valorise la seule phase solide du CO2 mais le rendement frigorifique est intéressant à 64 kcal/kg à 20 bar ; - la technique nécessite un niveau de chargement optimum et demande d'adapter le nombre de tromblons (injecteurs) de façon à déposer la neige carbonique sur la totalité de la surface des viandes sans créer d'amas de neige, mais il faut reconnaître que la mise en oeuvre en injection haute est aisée ; - elle se caractérise par une grande facilité de mélange des phases solide viande/solide neige, la neige carbonique est générée au coeur du produit ; - la technique présente toujours le risque d'extraire de la neige carbonique, il est donc préférable de privilégier le mode d'extraction par débordement ; - cette technique est traditionnellement limitée aux petits mélangeurs et petits volumes de production (typiquement inférieurs à 100 tonnes par an) ; - le CO2 présente par ailleurs un effet bactériostatique, il empêche les micro-organismes de se multiplier. L'injection haute azote : - on l'a signalé plus haut, cette technique est limitée par un rendement frigorifique faible, voisin de 36 kcal/kg à 1,5 bar ; - elle se caractérise également par le fait qu'elle présente des risques de points froids et donc par une répartition difficile ; - l'injection haute azote nécessite donc de contrôler et de maîtriser une pression basse d'injection ; - pour l'ensemble de ces raisons, il faut noter que l'injection haute azote est très peu utilisée. L'injection basse CO2 et azote : elle permet de valoriser la chaleur latente du changement d'état des fluides cryogéniques ainsi qu'une partie de la chaleur spécifique des gaz. Cette valorisation des gaz dépend du temps de contact avec le produit. Si en injection haute l'azote liquide présentait un handicap de rendement frigorifique très important par rapport au CO2, en injection basse, le rendement frigorifique de l'azote se rapproche de celui du CO2 (le temps de contact entre le gaz et le produit permet de valoriser les gaz). L'azote présente par ailleurs l'avantage d'offrir une solubilité dans les matières grasses et l'eau bien plus faible que le CO2. La consommation de fluide constaté est environ 20% plus importante en injection basse azote par rapport à l'injection basse CO2. Mais il faut également noter que ce secteur industriel est en demande de plusieurs améliorations : - il souhaite améliorer la reproductibilité de la qualité de refroidissement des produits dans un tel mélangeur, malaxeur etc... - il souhaite améliorer la reproductibilité de la texture du produit en sortie d'un tel mélangeur, malaxeur, etc... - il souhaite également optimiser la consommation de fluide cryogénique. Les approches proposées dans cette industrie pour tenter d'apporter une réponse, au moins partielle, à ces demandes techniques peuvent être résumées ainsi et on va expliquer ci-dessous pourquoi de l'avis de la Demanderesse elles sont insuffisantes : 1 °) l'Injection pendant un temps donné Selon cette approche, l'injection du cryogène, typiquement d'azote ou de CO2, se fait uniquement via un temps prédéfini. Lors du démarrage du cycle, une électrovanne s'ouvre et se ferme une fois le temps écoulé. Cette ouverture peut être cadencée. Dans ce fonctionnement, on n'exerce aucun contrôle, ni sur le gaz, ni sur le produit, ni sur le malaxeur. Dans ce fonctionnement, la durée du cycle de refroidissement dépend de la durée d'injection. Le résultat au niveau du produit est alors relativement aléatoire, car on ne connaît ni sa texture, ni sa température. 2°) Réqulation de l'iniection par rapport à la température du produit. Selon cette approche, l'injection d'azote ou de CO2 se fait de façon continue ou cadencée et est fonction de la température du produit : tant que le 1 o produit n'a pas atteint la température souhaitée, l'injection de cryogène est poursuivie. Typiquement, une sonde de température indique à un calculateur en permanence la température du produit. La fin de cycle est déclarée lorsque la température du produit est atteinte. On peut réguler selon cette approche l'injection de gaz soit par une régulation Tout ou Rien, soit par une régulation 15 de type PID. Selon cette approche, le résultat au niveau du produit reste aléatoire car on ne connaît que sa température, sa texture est aléatoire, non maitrisée. Et un des effets pernicieux de cette approche de régulation est lié au fait que dans le cas d'un produit à descendre sur son palier de congélation, 20 l'opérateur ne saura pas avec précision où il se situe sur ce palier, par exemple à 10%, par exemple à 90% ? En d'autres termes ce phénomène induit une surconsommation de gaz car le produit consomme du gaz alors que sa température ne descend plus. 25 3°) Réqulation de l'iniection de cryoqène par rapport à l'ampéraqe adopté par le moteur de malaxaqe. L'injection d'azote ou de CO2 se fait ici de façon continue ou cadencée, le seul paramètre surveillé étant l'ampérage du moteur. L'injection de gaz est réalisée dés le début du cycle. Le produit en se refroidissant change de 30 texture, le moteur doit alors exercer une force plus importante pour combattre ce durcissement de texture, ce qui fait donc augmenter sa consommation en électricité. La mesure de l'ampérage permet donc d'évaluer de façon très précise la texture du produit et donc sa température. Cette mesure permet également d'obtenir une bonne reproductibilité du traitement, le produit en sort avec la même texture, avec la même température. En résumé, le régulateur connaît en temps réel l'ampérage pris par le moteur d'entraînement, et le régulateur commande en temps réel, en réaction, l'injection de fluide cryogénique. Et néanmoins cette méthode de régulation n'optimise pas la consommation de gaz, celle-ci n'est pas contrôlée : durant l'injection du 1 o cryogène, le débit de gaz est constant (la quantité de gaz injectée n'est pas modifiée en fonction de la température du produit) alors que le produit et l'appareil sont déjà refroidis, le besoin de frigories est donc moindre, ce qui n'est pas pris en compte par cette régulation, d'où une surconsommation inutile. 15 Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une nouvelle approche de régulation de telles enceintes de type mélangeur, malaxeur, broyeur ou encore pétrin (donc munie d'un organe d'agitation du contenu de l'enceinte), permettant d'apporter une meilleure réponse car une 20 réponse plus complète, à l'ensemble des attentes techniques de ce secteur industriel. Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose une méthode de régulation du fonctionnement d'une telle enceinte, tenant compte à la fois, et de façon synergétique, des paramètres suivants : 25 l'ampérage pris par le moteur de malaxage (d'agitation), la température du produit, et la température des gaz dans l'enceinte (typiquement dans la partie haute de l'enceinte, ou encore dans un conduit d'évacuation des gaz hors de l'enceinte). En d'autres termes, le régulateur (ou autre système d'acquisition et de 30 traitement de données) connaît en temps réel : - la température du produit dans l'équipement ; - l'ampérage pris par le moteur d'entraînement (d'agitation); - et la température des gaz dans l'enceinte de l'équipement. Le régulateur commande alors en temps réel l'injection de fluide cryogénique, mais peut également (selon le type d'enceinte concerné) commander également un ou d'autres paramètres tels que la vitesse des ventilateurs présents dans l'enceinte, ventilateurs qui mettent en place une convection forcée. Expliquons mieux ci-dessous l'approche de l'invention : - la régulation conforme à l'invention prend donc en compte le trio « ampérage moteur/température produit/température des gaz dans l'enceinte » ; - l'ampérage est un paramètre couperet : en d'autres termes quand sa consigne est atteinte, quelles que soient les valeurs des deux autres paramètres, l'unité de gestion arrête le cycle de refroidissement et coupe l'injection de cryogène ; - l'injection de gaz est, elle, réalisée, adaptée, en fonction de la température du produit et de la prise en compte de la température des gaz dans l'enceinte du malaxeur : - - > en prenant en compte la température des gaz dans l'enceinte on évite la surconsommation de gaz se produisant quand on ne prend en compte que la seule température du produit (incertitude de la position du produit sur le pallier de congélation qui entraine la poursuite superflue de la consommation gaz) ; - -> en d'autres termes, à titre illustratif, la prise en compte de la température des gaz dans la partie haute de l'enceinte, par exemple très froide, permet de détecter que le gaz ne transmet plus de frigories au produit alors que la consigne de température produit n'est pas atteinte, ou encore de détecter que toutes les frigories ne sont pas encore transférées au produit mais qu'il n'est plus nécessaire de continuer l'injection. Pour fixer les idées par des exemples numériques : - pour une masse de 1200 kg de produit initialement à 20°C, l'injection d'un litre d'azote liquide va abaisser la température de cette masse de quelque millièmes de degrés, et réchauffer le gaz à environ 20°C, donc la mesure de la température du gaz en partie haute va montrer que l'azote a parfaitement été valorisé mais qu'en tout état de cause le produit n'est pas suffisamment refroidi ; - pour une masse de 1200 kg de produit initialement à 20°C, l'injection de 1200 litres d'azote liquide va abaisser la température de cette masse jusqu'à environ -18° C, mais au début du processus la température du gaz en partie haute sera très basse, par exemple -150°C, l'enceinte devient très froide et les gaz froids sont extraits par le système. On a donc effectivement refroidi le produit, mais en consommant beaucoup de gaz puisqu'il sortait du système à -150°C ce qui est inutile. Il faut donc d'arrêter l'injection lorsque la température de l'enceinte est suffisamment basse, afin de ne pas gaspiller de gaz. Selon l'invention, l'injection du cryogène liquide, par exemple l'azote ou le CO2, se fait de façon continue ou bien cadencée, et est adaptée, modifiée, en fonction de ces paramètres mesurés de température du produit, température des gaz dans l'enceinte et ampérage du moteur d'entrainement. Ce qui signifie que ces paramètres sont surveillés et que des actions (rétroactions) sont prises en fonction des valeurs de ces paramètres mesurés et reçus par un système d'acquisition et de traitement de données. A titre illustratif et sans à aucun moment être lié par les propositions d'explications développées ci-dessous, on peut avancer les éléments suivants : - l'ampérage est contrôlé, ce paramètre indiquera la fin de cycle : le produit en se refroidissant change de texture, le moteur doit s'adapter et exercer une force plus importante et donc sa consommation en électricité augmente ; - l'injection de gaz est réalisée en fonction de la température du produit, mais la prise en compte de la température des gaz dans l'enceinte du malaxeur permet comme on l'a dit d'optimiser la consommation de gaz en palliant à l'inconvénient de surconsommation signalé ci-dessus dans le cas d'une des méthodes de l'art antérieur : l'écart entre la consigne de température du produit et la température du produit mesurée donne une consigne de température des gaz à obtenir dans l'enceinte. On y reviendra plus en détail ci-dessous mais cette consigne de température des gaz dans l'enceinte est donnée par l'algorithme de la régulation, tel que programmé par le constructeur du régulateur (par exemple PID) utilisé, régulateur qui est utilisé et paramétré aux présents besoins. L'algorithme prend ainsi en compte la consigne de température « produit » que l'opérateur a entrée dans le régulateur, et la compare en temps réel avec la mesure de température « produit » qui lui parvient. A titre d'exemple, l'opérateur souhaite un produit à 7°C (consigne), la mesure de température produit donne à un instant donné 25°C. En utilisant l'algorithme, le régulateur va calculer et considérer qu'il nécessite 100% de la puissance disponible pour refroidir le produit, Il va alors injecter une certaine consigne dans la boucle de régulation de la température des gaz dans l'enceinte, cette consigne va logiquement être très basse puisque qu' il veut mettre en oeuvre 100% de la puissance disponible, Il va donc par exemple demander -150°C dans l'enceinte. Le produit va se refroidir, pendant environ 1 minute, jusqu'à atteindre une température de 12°C, stade où le régulateur va refaire un calcul via l'algorithme de régulation, et va calculer une nouvelle action : l'opérateur souhaite un produit à 7°C, le système a atteint 12°C, il faut alors mettre en oeuvre 25% de la puissance, le régulateur va donc injecter une nouvelle consigne de -75°C pour les gaz dans l'enceinte etc... Dans tous les cas la fin de cycle sera dictée par la valeur de l'ampérage. On l'a compris on peut mettre en oeuvre l'invention par une régulation 3o Tout ou Rien, ou encore par une régulation PID, par exemple de type Cascade Bi-Boucles, les deux boucles étant le contrôle de la température du produit et le contrôle de la température des gaz dans l'enceinte. Grâce à l'invention, le résultat observé au niveau du produit est maitrisé et reproductible puisque l'on maitrise à la fois sa température et sa texture, la consommation de gaz étant dans le même temps optimisée puisque l'injection de gaz suit la descente en température du produit. La présente invention concerne alors une méthode de régulation d'un procédé de refroidissement d'une masse de produit contenue dans une enceinte, enceinte de type mélangeur, malaxeur, broyeur ou encore pétrin, munie d'un organe d'agitation du contenu de l'enceinte, le refroidissement étant obtenu par mise en contact de la masse de produit avec un liquide cryogénique, la méthode se caractérisant en ce qu'elle prend en compte au moins les trois paramètres suivants : - l'ampérage pris par le moteur de l'organe d'agitation du contenu de l'enceinte, - la température du produit ; et - la température des gaz dans l'enceinte, et en ce que l'ampérage est un paramètre couperet, le régulateur arrêtant le cycle de refroidissement et coupant l'injection de fluide cryogénique quand la consigne d'ampérage est atteinte, quelles que soient les valeurs des deux autres paramètres de température de produit et température des gaz dans l'enceinte. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le régulateur connaît en temps réel : - l'ampérage pris par le moteur d'agitation du contenu de l'enceinte, - la température du produit ; et - la température des gaz dans l'enceinte, et commande en temps réel l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte. Selon un autre des modes de mise en oeuvre de l'invention, l'enceinte est munie en sa partie haute d'un système de convection forcée, par exemple constitué par un ou plusieurs ventilateurs à pâles, et le régulateur connaît en temps réel : - l'ampérage pris par le moteur d'agitation du contenu de l'enceinte, - la température du produit ; et - la température des gaz dans l'enceinte, et commande en temps réel non seulement l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte mais également la vitesse de rotation des moyens 1 o constituant ledit système de convection forcée. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le régulateur commande en temps réel l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte en fonction de la température du produit et de la température des gaz dans 15 l'enceinte, l'écart entre la consigne de température du produit et la température du produit mesurée donnant en temps réel une consigne de température des gaz à obtenir dans l'enceinte. On l'aura compris ce mode représente un mode préféré selon 20 l'invention, considéré comme le plus pointé, mais selon les applications d'autres modes de mise en oeuvre pourraient être envisagés. A titre illustratif : - on pourrait prérégler dans le régulateur en fonction de l'expérience une courbe de température dans l'enceinte en fonction du temps du cycle, par 25 exemple pendant les 30 premières secondes -150°C, puis pendant les 30 secondes suivantes -100°C, puis pendant les 2 minutes suivantes -60°C.... - ou encore on peut linéariser la température de l'enceinte en fonction de la température du produit : par exemple le produit est à 25°C on fixe -150°C, le produit est 12 °C on fixe -75°C, le produit arrive à 7°C on fixe -60°C 30 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront ainsi plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec la figure unique annexée qui est une représentation schématique partielle d'un mode de mise en oeuvre de l'invention sur une installation de malaxage de viandes. On reconnaît sur la figure la présence des éléments suivants : - l'équipement de malaxage 2 ; - le moteur 1 d'entraînement du malaxeur ; - un système 3 d'extraction des gaz ; - des ventilateurs 4 dans la partie haute du malaxeur, régissant la convection dans l'enceinte ; - le système 5 d'injection de fluide cryogénique (N2 liquide, CO2 liquide) ici dans la partie basse du malaxeur, - un régulateur ou autre système d'acquisition et de traitement de données. Explicitons alors ci-dessous un exemple de mode de mise en oeuvre de l'invention, en en détaillant les lois de régulations suivies : 10) Loi de contrôle de l'autorisation d'iniection du fluide cryoqénique : - une consigne de température de produit est fixée, - une consigne d'ampérage maximum est fixée (seuil dépendant du moteur, de la masse de produit traitée etc.... que l'on fixera par exemple lors de pré-essais de caractérisation d'une telle enceinte de production). Si la température est atteinte et que l'ampérage du moteur souhaité est atteint on considère que le produit a la texture souhaitée et que le traitement peut être arrêté. Dans tous les cas, si l'ampérage est atteint, même si la consigne produit n'est pas atteinte on arrête le traitement (l'ampérage étant considéré comme le paramètre le plus précis, le plus pertinent). 2°) La réqulation d'iniection : Une régulation PID discontinue gère l'injection Tout Ou Rien du fluide cryogénique selon la température du produit. Le rapport cyclique de la sortie discontinue est fonction de la température des gaz dans l'enceinte. Ceci permet de limiter la quantité de gaz injecté alors que toutes les frigories ne sont pas encore transférées au produit. Comme évoqué précédemment, la consigne de température des gaz dans l'enceinte est donnée par l'algorithme de la régulation, tel que programmé par le constructeur du régulateur (par exemple PID) utilisé, régulateur qui est utilisé et paramétré aux présents besoins. L'algorithme prend ainsi en compte la consigne de température « produit » que l'opérateur a entrée dans le régulateur, et la compare en temps réel avec la mesure de température « produit » qui lui parvient, pour en déduire une consigne de température de gaz en fonction de la puissance d'action à mettre en oeuvre. La sortie discontinue du régulateur PID permet d'agir de façon Tout Ou Rien sur le procédé, il autorise l'injection, il arrête l'injection etc (a contrario, une sortie continue agirait en permanence). La puissance d'action est un pourcentage, un rapport cyclique d'ouverture des injecteurs : pour fixer les idées sur un exemple simple, si le régulateur veut mettre en place une action à 50% de la puissance, il va ordonner une ouverture de la sortie discontinue à 100% durant la moitié du temps (rapport cyclique = 1/2). Une sortie continue serait ouverte à 50% durant 100% du temps. ---------------------25 Revendications1. Méthode de régulation d'un procédé de refroidissement d'une masse de produit contenue dans une enceinte, enceinte de type mélangeur, malaxeur, broyeur ou encore pétrin, munie d'un organe d'agitation du contenu de l'enceinte, le refroidissement étant obtenu par mise en contact de la masse de produit avec un liquide cryogénique, la méthode se caractérisant en ce qu'elle prend en compte au moins les trois paramètres suivants : - l'ampérage pris par le moteur de l'organe d'agitation du contenu de l'enceinte, - la température du produit ; et - la température des gaz dans l'enceinte, et en ce que l'ampérage est un paramètre couperet, le régulateur arrêtant le cycle de refroidissement et coupant l'injection de fluide cryogénique quand la consigne d'ampérage est atteinte, quelles que soient les valeurs des deux autres paramètres de température de produit et température des gaz dans l'enceinte. 2. Méthode selon la revendication 1, se caractérisant en ce que le régulateur connaît en temps réel : - l'ampérage pris par le moteur de l'organe d'agitation du contenu de l'enceinte, - la température du produit ; et - la température des gaz dans l'enceinte, et commande en temps réel l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte. 3. Méthode selon la revendication 2, se caractérisant en ce que l'enceinte est munie en sa partie haute d'un système de convection forcée, par exemple constitué par un ou plusieurs ventilateurs à pâles, et en ce que le régulateur commande alors en temps réel non seulement l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte mais également la vitesse de rotation des moyens constituant ledit système de convection forcée. 4. Méthode selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant en ce que le régulateur commande en temps réel l'injection de fluide cryogénique dans l'enceinte en fonction de la température du produit et de la température des gaz dans l'enceinte, l'écart entre la consigne de température du produit et la température du produit mesurée donnant en temps réel une consigne de température des gaz à obtenir dans l'enceinte. ----------------