Brevet FR2972522A1 — publié le 20120914

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 par deux 5 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 ») ; - la seconde utilise un système thermodynamique ouvert se 10 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 littérature. On retient principalement que le froid mécanique nécessite un coût d'investissement 15 « Capex » élevé au profit 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 est essentiellement lié à la consommation du fluide cryogénique. 20 S'agissant de la mise en ceuvre d'un fluide cryogénique en injection directe ou indirecte dans un tunnel, on connaît également bien les avantages et inconvénients qui leur sont associés : - les performances thermiques du procédé dit « à injection directe », dans lequel un liquide cryogénique tel l'azote liquide est pulvérisé directement 25 dans l'enceinte, à mettre en regard du phénomène d'anoxie qui doit être géré convenablement pour éviter tout risque pour les opérateurs dans le cas d'une injection directe; - tandis que le procédé dit « à injection indirecte », qui met en oeuvre dans l'enceinte des échangeurs thermiques, dans lesquels circule le fluide 30 cryogénique tel l'azote liquide, l'enceinte étant par ailleurs munie d'un système de circulation d'air mettant en contact cet air avec les parois froides de l'échangeur, permettant ainsi de refroidir l'air interne au tunnel, peut être considéré comme moins avantageux thermiquement mais comme une solution où le risque d'anoxie est considérablement réduit voire inexistant théoriquement (sous réserve d'absence de fuites). Le refroidissement des produits alimentaires utilisant des tunnels cryogéniques à injection indirecte présente donc l'intérêt majeur de confiner tout le cryogène dans un volume fermé constitué d'échangeurs et de circuits d'alimentation, où ainsi aucun contact du cryogène avec l'air interne du tunnel n'est possible et où le risque d'appauvrissement en oxygène de l'atmosphère environnant le tunnel est par conséquent levé. Ceci se traduit concrètement par la suppression d'un ensemble de matériel habituellement utilisé pour sécuriser les tunnels cryogéniques à injection directe : systèmes d'alarme, systèmes d'extraction, capteurs d'oxygène, ... Des développements récents de cette technologie où l'injection indirecte est combinée à des effets de jets impactant (on dit parfois « impingement ») sur le produit à congeler ont contribué à l'amélioration des performances thermiques du tunnel. Cependant, le positionnement des échangeurs et des plaques d'impaction associées influencent fortement le sens et le niveau d'infiltration d'air ambiant (chaud et humide) dans le tunnel. Une telle infiltration d'air est on le sait nuisible au fonctionnement du tunnel puisque toute la vapeur d'eau présente dans l'air infiltré se transforme en givre et se dépose sur les parois froides de l'équipement (plaques d'impaction, et batteries tubes et ailettes) entraînant un bouchage partiel de l'équipement et par conséquent, une durée du cycle de production plus courte (nécessité d'arrêter régulièrement l'installation). Sans oublier le fait que l'air entrant constitue une perte thermique qui devra être compensée par la production frigorifique, occasionnant une surconsommation énergétique. Les solutions évoquées dans la littérature pour résoudre ce problème d'entrées d'air sont bien connues et notamment : - traiter le problème à sa source par l'installation de rideaux physiques, solution dont on connaît les inconvénients en termes d'exigences hygiéniques 5 du domaine agroalimentaire. - traiter le problème une fois apparu, par exemple en positionnant des jets de gaz puissants venant par intermittence « décaper » la couche de givre formée. Cette solution est insatisfaisante pour décaper efficacement des pales de ventilateurs sur lequel du givre est formé et qui tournent à plusieurs milliers 10 de tours / min. Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une solution technique à ces infiltrations d'air non maîtrisées aux extrémités du tunnel. 15 Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la présente invention propose l'injection volontaire d'air, à des endroits choisis situés à l'intérieur du tunnel. L'invention consiste à disposer d'au moins un dispositif de ventilation à l'extérieur du tunnel, permettant d'injecter de l'air dans le tunnel, 20 préférentiellement sec ou sensiblement déshumidifié, sous légère pression et préférentiellement pré-refroidi à une température proche de la température de consigne dans le tunnel. La présente invention présente ainsi plusieurs avantages : - L'élimination presque totale des entrées d'air chaud et humide dans 25 le tunnel et des sorties d'air froid qui constituent une perte énergétique ; - La garantie d'une prolongation du cycle de fonctionnement pour satisfaire des exigences de longue durée de production ; - Comme on le verra ci-dessous, la production d'air pré-refroidi peut être réalisée dans un échangeur de chaleur, extérieur au tunnel, valorisant 30 ainsi l'énergie contenue dans les gaz froids du cryogène sortant du tunnel (gaz résultant de la vaporisation dans le tunnel du fluide cryogénique qui y a transité). On réalise ainsi dans un échangeur extérieur un échange thermique entre les gaz froids extraits du tunnel et l'air traité par le système de ventilation extérieur, avant que celui-ci ne soit envoyé vers l'intérieur du tunnel. Au moment de son refroidissement, la vapeur d'eau contenue dans cet air se condense et l'air ainsi traité devient plus sec, on récolte suite à ce traitement le condensat de la vapeur d'eau par exemple dans une gouttière, l'air injecté dans le tunnel sous légère pression suite à ce traitement est donc relativement sec. La présente invention concerne alors un procédé de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, utilisant un tunnel cryogénique, le tunnel étant de type à injection indirecte d'un fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produits dans le tunnel, le tunnel étant équipé de moyens d'injection du 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 ceuvre des mesures suivantes : - on dispose d'au moins un système de ventilation, extérieur au tunnel, apte à traiter de l'air extérieur au tunnel pour l'envoyer dans le tunnel en un ou 20 plusieurs points intérieur(s) au tunnel ; - lorsque le tunnel est en opération de refroidissement ou surgélation, on envoie, durant tout ou partie du temps d'opération, grâce audit système de ventilation extérieur, de l'air en un ou plusieurs point(s) intérieur(s) au tunnel. 25 L'invention peut par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - outre le dit système de ventilation extérieur au tunnel, on dispose de plus d'au moins un système d'échangeur extérieur au tunnel, associé audit système de ventilation extérieur, et l'on met en oeuvre les mesures suivantes : 30 - on achemine dans ledit système d'échangeur extérieur tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder à l'échangeur extérieur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur - on réalise dans l'échangeur extérieur un échange thermique entre les gaz froids qui y sont acheminés et l'air traité par le système de ventilation extérieur, avant que celui-ci ne soit envoyé vers l'intérieur du tunnel. selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le tunnel 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 lo échangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en terme de circulation du cryogène en série ou en parallèle, notamment selon la nature des produits à traiter, les gaz froids acheminés vers le système d'échangeur extérieur étant alors obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole. 15 - l'air est envoyé à l'intérieur du tunnel grâce à une gaine, courant à l'intérieur du tunnel, et munie d'une ou plusieurs bouches d'expulsion de cet air vers l'espace interne au tunnel. L'invention concerne également une installation de refroidissement ou 20 surgélation cryogénique de produits, comprenant un tunnel cryogénique dans lequel circulent des produits à refroidir ou surgeler, le tunnel étant de type à injection indirecte d'un fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, le tunnel étant équipé de moyens d'injection d'un fluide cryogénique 25 ainsi que de moyens d'extraction de tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, se caractérisant en ce qu'elle comprend au moins un système de ventilation, extérieur au tunnel, capable de traiter de l'air extérieur au tunnel pour l'envoyer dans le tunnel en un ou plusieurs points intérieur(s) au tunnel. 30 L'installation selon l'invention peut par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - elle comprend de plus au moins un système d'échangeur extérieur au tunnel, associé audit système de ventilation extérieur, ainsi qu'un système de canalisations permettant : - d'acheminer dans le système d'échangeur extérieur tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation du fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder à l'échangeur extérieur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - de réaliser dans l'échangeur extérieur un échange thermique entre les gaz froids qui y sont acheminés et l'air traité par le système de ventilation extérieur, avant que celui-ci ne soit envoyé vers l'intérieur du tunnel. - selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le tunnel 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 terme de circulation du cryogène en série ou en parallèle, notamment selon la nature des produits à traiter, ledit système de canalisations permettant d'acheminer des gaz froids obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole. - l'installation comprend une gaine, courant à l'intérieur du tunnel, et munie d'une ou plusieurs bouches d'expulsion de gaz, apte à recevoir l'air en provenance du système de ventilation extérieur ou du système d'échangeur extérieur, et à expulser cet air vers l'espace interne au tunnel. 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'une installation 30 conforme à l'invention ; la figure 2 illustre une simulation montrant l'évolution de la surface d'échange, du débit de gaz froids et de la puissance échangée en fonction de la température désirée en sortie de la batterie A de la figure 1. On reconnaît sur la figure 1 un tunnel cryogénique de surgélation de produits, tunnel de type à injection indirecte, muni d'échangeurs (batteries 1, 2 et 3, à chaque échangeur est associé son moyen de ventilation comme bien connu en soi) et d'une sole S, alimentés en azote liquide par un réservoir de stockage d'azote liquide (LN2), tunnel de type connu. II faut souligner que le mode de réalisation de la figure 1 illustre un cas où le tunnel comprend une sole mais bien entendu ce n'est qu'illustratif d'un type de tunnel indirect, d'autres tunnels de ce type ne comprennent pas une telle sole et la présente invention s'applique à ces autres tunnels avec la même efficacité, les mêmes avantages etc... On a donc illustré ici un exemple où sole et échangeurs internes sont opérés en terme de circulation du cryogène en série, les gaz froids résultant de la vaporisation du liquide cryogénique dans les échangeurs rejoignant un système d'évacuation des gaz, que l'on ne détaillera pas ici mais qui apparait 20 clairement à l'homme du métier sur la figure. On se concentrera donc davantage dans ce qui suit sur ce qui est remarquable dans cette installation conformément à la présente invention. Conformément à l'invention : on dispose d'une batterie A extérieure au tunnel (située ici en regard 25 de sa sortie mais d'autres positions peuvent parfaitement être envisagées du moment que la batterie reste extérieure), batterie comportant un échangeur E et un système de ventilation B. 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 30 froids résultant de la vaporisation du fluide dans le tunnel (gaz extrait des échangeurs et/ou de la sole, ici pour ce mode des échangeurs), permettant à ces gaz de céder à l'échangeur E au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur, ce que l'on visualise bien sur la figure. On réalise alors dans cet échangeur E un échange thermique entre ces gaz froids récupérés du tunnel et de l'air ambiant, propulsé dans l'échangeur E 5 par le ventilateur B, l'air ainsi pré-refroidi atteint une gaine C permettant sa répartition dans le tunnel grâce à une multitude de bouches d'expulsion. En sortie des batteries internes du tunnel 1/2/3, les gaz sont généralement à une température proche de -80°C. La température d'air en sortie de la batterie A (et envoyé dans la gaine 10 C) est d'autant plus basse que la surface d'échange est grande (ce qui est lié au cout et à l'encombrement de l'échangeur E). La figure 2 annexée illustre une simulation montrant l'évolution de la surface d'échange, du débit de gaz froids et de la puissance échangée en fonction de la température désirée en sortie de la batterie A. 15 On observe sur cette figure le fait que pour un débit d'azote donné, la surface d'échange thermique requise pour l'échangeur extérieur est d'autant plus élevée que la température d'air traité dans la batterie A et à injecter dans le tunnel est basse. En d'autres termes, vouloir abaisser la température d'air à injecter pour minimiser les échanges thermiques avec l'air du tunnel a un coût 20 de surface d'échange et par conséquences, d'investissement et d'encombrement. Selon les cas d'application, un calcul technico-économique permettra d'arrêter le meilleur compromis. D'autre part, pour une surface d'échange donnée, l'utilisation de tout ou partie du débit d'azote en sortie du tunnel conduira à une puissance frigorifique 25 d'autant plus élevée et à une température d'air traité dans la batterie A d'autant plus faible que le débit est grand. En effet, pour une surface d'échange donnée, seules les pertes de charges coté azote limitent l'utilisation d'un débit plus grand. II faut avant tout noter qu'en transitant dans la batterie A, l'air apporté 30 par le ventilateur B subira un refroidissement, et une condensation de tout ou partie de son humidité, qui sera récupérée dans la gouttière D. L'air ainsi refroidi, et séché, est alors envoyé dans la gaine C, qui répartit cet air sur toute la longueur du tunnel en parallèle des batteries 1 à 3. Cette gaine permet également de répartir sur toute la longueur des batteries le dépôt de givre éventuellement formé dans le tunnel par l'apport de cet air plus ou moins sec. Cet air injecté permet par ailleurs de mettre le tunnel en légère surpression, permettant d'empêcher les entrées/sorties d'air non maitrisées aux extrémités du tunnel et la formation excessive de givre à ces extrémités du fait de ces entrées non maitrisées. On peut illustrer ci-dessous trois gammes intéressantes de température d'air injecté dans la gaine C (température obtenue en sortie de l'échangeur B) selon les besoins : - Une première gamme de températures autour de -60°C permettant de récupérer un maximum de frigories. - Une deuxième gamme de températures autour de -10°C permettant de limiter le volume de l'échangeur et d'abattre un maximum d'humidité présente dans l'air extérieur. - Une troisième gamme de températures autour de +3°C permettant de limiter encore davantage le volume de l'échangeur tout en évacuant une partie importante de l'humidité présente dans l'air extérieur. En effet, à cette température, l'eau condensée reste liquide et s'écoule naturellement vers le point le plus basa Elle ne s'accumule pas sous forme de givre sur l'échangeur comme c'est le cas dans les deux premières gammes de température. Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, on envoie à l'intérieur du tunnel de l'air qui n'est pas pré-refroidi (qui n'échange pas dans une batterie extérieure avec des gaz froids extraits du tunnel) même si ce mode n'est pas préféré selon l'invention (du fait de son bilan thermique) il apporte dans de nombreux cas une réponse technique suffisante puisqu'il permet ici encore (par l'effet de pressurisation) de remédier à la formation de givre parasite liée aux entrées d'air non maitrisées, tout en permettant toujours de répartir sur la longueur du tunnel le dépôt de givre éventuellement apporté du fait de cette arrivée d'air organisée. Cette variante certes moins optimisée permet de plus de minimiser le coût d'investissement de l'installation (évitant l'achat du système d'échangeur). --------------------- REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, utilisant un tunnel cryogénique, le tunnel étant de type à injection indirecte d'un fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produits dans le tunnel, le tunnel étant équipé de moyens d'injection du 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 ceuvre des mesures 10 suivantes : - on dispose d'au moins un système de ventilation, extérieur au tunnel, apte à traiter de l'air extérieur au tunnel pour l'envoyer dans le tunnel en un ou plusieurs points intérieur(s) au tunnel ; - lorsque le tunnel est en opération de refroidissement ou surgélation, 15 on envoie, durant tout ou partie du temps d'opération, grâce audit système de ventilation extérieur, de l'air en un ou plusieurs points intérieur(s) au tunnel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, outre le dit système de ventilation extérieur au tunnel, on dispose de plus d'au moins un système d'échangeur extérieur au tunnel, associé audit système de 20 ventilation extérieur, et se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes : - on achemine dans ledit système d'échangeur extérieur tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation dudit fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder à l'échangeur extérieur au moins une partie de 25 leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ; - on réalise dans l'échangeur extérieur un échange thermique entre les gaz froids qui y sont acheminés et l'air traité par le système de ventilation extérieur, avant que celui-ci ne soit envoyé vers l'intérieur du tunnel. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tunnel 30 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, leséchangeurs présents dans le tunnel et la sole pouvant être opérés en terme de circulation du cryogène en série ou en parallèle, notamment selon la nature des produits à traiter, les gaz froids acheminés vers le système d'échangeur extérieur étant alors obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'air est envoyé à l'intérieur du tunnel grâce à une gaine, courant à l'intérieur du tunnel, et munie d'une ou plusieurs bouches d'expulsion de cet air vers l'espace interne au tunnel. 5. Installation de refroidissement ou surgélation cryogénique de produits, comprenant un tunnel cryogénique dans lequel circulent des produits à refroidir ou surgeler, le tunnel étant de type à injection indirecte d'un fluide cryogénique dans des échangeurs présents dans l'espace interne du tunnel et répartis sur le parcours des produis dans le tunnel, le tunnel étant 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 en ce qu'elle comprend au moins un système de ventilation, extérieur au tunnel, en configuration de pouvoir traiter de l'air extérieur au tunnel pour l'envoyer dans le tunnel en un ou plusieurs points intérieur(s) au tunnel. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend de plus au moins un système d'échangeur extérieur au tunnel, associé audit système de ventilation extérieur, ainsi qu'un système de canalisations permettant - d'acheminer dans le système d'échangeur extérieur tout ou partie des gaz froids résultant de la vaporisation du fluide dans le tunnel, permettant à ces gaz de céder à l'échangeur extérieur au moins une partie de leurs frigories, avant d'être rejetés vers l'extérieur ;- de réaliser dans l'échangeur extérieur un échange thermique entre les gaz froids qui y sont acheminés et l'air traité par le système de ventilation extérieur, avant que celui-ci ne soit envoyé vers l'intérieur du tunnel. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tunnel 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 terme de circulation du cryogène en série ou en parallèle, notamment selon la nature des produits à traiter, ledit système de canalisations permettant d'acheminer des gaz froids obtenus en sortie des échangeurs et/ou en sortie de la sole. 8. Installation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une gaine, courant à l'intérieur du tunnel, et munie d'une ou plusieurs bouches d'expulsion de gaz, apte à recevoir l'air en provenance du système de ventilation extérieur ou du système d'échangeur extérieur, et à expulser cet air vers l'espace interne au tunnel. --------------------