Brevet FR3019275A1 — publié le 20151002

La présente invention concerne le domaine du transport et de la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires. Dans ce domaine, le froid nécessaire au maintien de la température des produits est fourni principalement par deux technologies différentes : - les groupes frigorifiques à compression mécanique de vapeur fonctionnant en boucle fermée ; - les groupes cryogéniques fonctionnant en boucle ouverte et mettant en oeuvre une injection directe ou indirecte de fluides cryogéniques et en particulier d'azote liquide. La présente invention s'intéresse plus particulièrement aux solutions cryogéniques à injection indirecte. Dans de telles solutions, le fluide cryogénique est acheminé depuis un réservoir cryogénique embarqué sur le camion frigorifique (en général en dessous du camion) jusqu'à un ou plusieurs échangeurs thermiques situés à l'intérieur de la ou les chambres froides du camion, échangeurs munis de moyens de circulation d'air. Ces échangeurs permettent le refroidissement, à la température désirée, de l'air interne de la chambre stockant les produits. L'invention s'intéresse au problème bien connu de l'accumulation de givre sur l'échangeur. En effet, au cours du fonctionnement du système, différents apports d'humidité peuvent avoir lieu : - l'humidité présente naturellement dans l'enceinte ; - l'humidité des produits transportés ; - l'humidité provenant de la différence d'environnement entre l'extérieur et l'intérieur de l'enceinte lors des ouvertures des portes du camion. Ces apports d'humidité sont captés par les parois froides de l'enceinte, l'emballage des produits/palettes et ils sont préférentiellement captés par les parois froides de l'échangeur, engendrant un dépôt de givre sur les parois de cet échangeur. Or, l'accumulation de givre sur un échangeur agit comme un encrassement, il en résulte des effets thermiques et aérauliques : - La couche supplémentaire de givre agit comme une couche d'isolant, réduisant le transfert thermique ; - La couche supplémentaire de givre réduit les sections de passage d'air au sein de l'échangeur, diminuant ainsi le débit d'air. Les deux effets combinés réduisent la puissance frigorifique fournie. En fonction des apports d'humidité, la quantité de givre présente sur l'échangeur varie, et par conséquent la puissance de l'échangeur également. Pour revenir à une puissance nominale de l'échangeur, il est alors nécessaire de le dégivrer. Rappelons que le contrôle de procédé typiquement mis en oeuvre dans de tels camions fonctionnant en injection indirecte est le suivant : 1- lors de la mise en route du système frigorifique du camion (par exemple au démarrage d'une tournée du camion ou après un arrêt prolongé du système frigorifique pour une raison quelconque) ou encore après une ouverture de porte, on adopte un mode de descente rapide en température (cette industrie nomme cette phase « pull down »). 2- Une fois la température de consigne atteinte dans la chambre de stockage des produits, on adopte un mode de contrôle/régulation qui permet de maintenir la température de la chambre de stockage des produits à la valeur de la consigne (phase de « maintien »). Les professionnels de ce secteur parlent également d'un fonctionnement en pleine charge (phase 1) ou à charge partielle (phase 2). La littérature fait état de différentes stratégies pour dégivrer de tels échangeurs de groupes cryogéniques, parmi lesquelles on trouve les approches suivantes : - la présence de résistances électriques intégrées dans le corps de l'échangeur et alimentées par des batteries électriques : cette solution a l'avantage d'être facile à intégrer mais son inconvénient majeur réside dans sa limitation en termes de puissance thermique, en raison de la faible autonomie électrique disponible sur un camion. - l'utilisation d'échangeurs aérothermiques alimentés par une chaudière à combustion : l'air est chauffé directement ou indirectement via une boucle de fluide caloporteur. L'avantage de ce type de solution est sa disponibilité sur le marché. En revanche, en tant que modules séparés, l'encombrement et l'alimentation fluidique et électrique de ces éléments peuvent engendrer des inconvénients en termes d'autonomie électrique, de qualité de maintien de la température dans la caisse et de coût d'achat, d'installation et de maintenance. On notera aussi que ces modes de dégivrage requièrent un temps d'action qui peut être pénalisant lors du fonctionnement du système car le refroidissement ne peut pas fonctionner en même temps. Examinons maintenant comment sont déclenchées dans ces méthodes de l'art antérieur les actions de dégivrage : i) elles peuvent être déclenchées selon un fonctionnement cyclique : par exemple selon une durée du cycle qui est préfixée par le constructeur et peut être paramétrée par l'utilisateur. L'avantage de ce système de déclenchement est que le dégivrage est régulier, cependant, le dégivrage est réalisé indépendamment de la quantité de givre présent sur l'échangeur, et donc de la réduction de la puissance de l'échangeur. Aussi, selon les conditions opératoires du camion frigorifique et la masse effective du givre accumulée sur l'échangeur, cette durée peut être sous-estimée, il en résulte alors une dégradation prématurée de la puissance de l'échangeur, synonyme d'un non retour à la température de consigne après ouverture de porte, d'où une dégradation de la qualité de la chaine du froid. On peut au contraire mettre en oeuvre, par cette durée préfixée, une durée trop conservatrice et donc une consommation énergétique inutile. j) elles peuvent également être déclenchées manuellement par l'opérateur. L'optimisation du dégivrage par rapport à l'encrassement de l'échangeur dépend donc seulement de l'opérateur. Les inconvénients de ces modes de déclenchement selon i) et j) peuvent être résumés ainsi : - le dégivrage est déclenché soit trop tôt soit trop tard : trop tôt, quand la puissance nominale de l'échangeur est encore atteinte et donc le dégivrage représente une perte de temps et une consommation énergétique excessive du système, ou bien trop tard quand l'échangeur a déjà une puissance réduite. - le dégivrage est déclenché de façon non optimisée, ce qui peut engendrer des variations de température importantes : > trop fréquent, l'apport de calories dû au mode de dégivrage est trop important ; > trop étendu : l'échangeur n'a plus suffisamment de puissance pour permettre un retour à la température de consigne. k) déclenchement par relevés de température : le dégivrage est enclenché lorsque certaines conditions de température sont remplies. A titre d'exemple, les températures comparées sont celles du fluide cryogénique en sortie d'échangeur, et celles de l'air en entrée et en sortie de l'échangeur. Lorsque l'accumulation du givre est importante sur l'échangeur, le fluide frigorigène ne transfère pas toute l'énergie disponible à l'air. Le fluide frigorigène à la sortie de l'échangeur est alors plus froid que dans les conditions nominales, l'air est également moins refroidi. La température de l'air en sortie d'échangeur est donc plus chaude. L'écart entre la température d'air à l'entrée et la sortie de l'échangeur sera plus important. Si ces deux facteurs sont observés, le dégivrage est mis en fonctionnement. On peut signaler que ce mode de dégivrage est couramment utilisé et fonctionne de façon satisfaisante. Cependant, il faut garder à l'esprit qu'il repose sur la présence de plusieurs sondes de température et que si l'une d'elle est défaillante ou présente une dérive de mesure, il en résultera alors au mieux un dégivrage non-optimisé, voire dans le cas le plus défavorable un défaut de déclenchement du dégivrage. La présente invention souhaite alors proposer une nouvelle méthode de dégivrage de tels échangeurs, et comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, cette méthode repose sur des critères novateurs et ne nécessite qu'une seule sonde de température. La présente invention propose en fait un mode de dégivrage prédictif qui repose sur la prise en compte de paramètres de déclenchement du dégivrage en tenant compte du suivi d'une série d'indicateurs permettant de renseigner indirectement l'état d'encrassement en givre de l'échangeur. Une telle démarche présente plusieurs avantages : - une optimisation du fonctionnement de l'échangeur : Le dégivrage est réalisé quand l'échangeur est saturé en givre et est à la limite de la masse critique de givre pouvant détériorer ses performances. Il en résulte une optimisation du temps de dégivrage et par conséquent une meilleure optimisation des performances de l'échangeur. - l'indépendance des capteurs de mesure : Le dégivrage n'est pas 20 déclenché en fonction de la prise en compte directe de capteurs de températures. Des dispositifs moindres en instrumentation sont donc nécessaires pour la solution de dégivrage conforme à l'invention. - le maintien de la température de consigne : Contrairement aux modes cycliques ou manuels de l'art antérieur, la présente invention ne réalise pas de 25 dégivrages « inutiles », les variations de température sont donc limitées. La solution proposée est un mode prédictif de dégivrage basé sur des critères indirects de mesure, provenant des effets thermiques et aérauliques créés par le givre sur l'échangeur. 30 Ces deux effets modifient : - le fonctionnement nominal de l'évaporation du fluide frigorigène ou cryogène ; - le fonctionnement nominal de débit d'air. La présente invention propose alors des critères de déclenchement de dégivrage indépendants, qui peuvent être choisis parmi les facteurs suivants : - Critères liés aux ouvertures de vannes : de manière intrinsèque, lorsque l'accumulation du givre est importante, le cryogène ne pouvant pas transmettre toutes ses frigories durant son passage dans l'échangeur (la couche de givre formant un isolant), la température du fluide à la sortie de l'échangeur est alors plus froide que ce qu'elle serait dans les conditions nominales. Pour compenser les échanges thermiques diminués, une augmentation du débit de cryogène est nécessaire. Les vannes restent alors plus longtemps ouvertes quand il s'agit de vannes TOR (Tout Ou Rien), ou alors maintiennent un pourcentage d'ouverture important plus longtemps quand il s'agit de vannes proportionnelles. Lorsque l'échangeur est givré, la fréquence d'ouverture des vannes est alors réduite par rapport à un fonctionnement nominal où les vannes sont fréquemment fermées ou le pourcentage d'ouverture des vannes est diminué pour réduire le débit d'azote. La stratégie de dégivrage consiste donc à comparer la fréquence d'ouverture de la vanne à un moment donné de la vie du camion, fréquence « en cours », par exemple lorsque la température de la caisse est proche de la température de consigne, c'est-à-dire par exemple dans la plage +/- 1°C par rapport à la consigne recherchée, à comparer cette fréquence « en cours » donc à la fréquence nominale d'ouverture. La stratégie de dégivrage consiste alors à estimer la fréquence nominale d'ouverture de la vanne et à la comparer avec celle en cours. Pour ce faire, la fréquence nominale d'ouverture des vannes (que l'on peut qualifier de référence) est par exemple celle prise après la première phase de descente rapide de la caisse, préférentiellement dans les 30mn à 120mnn, et plus préférentiellement dans les 90mn à 120mn suivant la première phase de descente rapide de la caisse, ou encore celle intervenant après un dégivrage complet, lorsque la température de la caisse est proche de la température de consigne. A titre d'illustration, si la fréquence d'ouverture de vanne en phase de maintien est réduite d'au moins 30% de la valeur nominale, alors un dégivrage est enclenché. Toujours à titre illustratif pour mieux comprendre l'invention, on peut évaluer la fréquence nominale par le déclenchement d'un compteur, après la première phase de descente rapide, par exemple après une durée donnée, par exemple 30mn, on peut également déclencher un compteur après un dégivrage complet. - Critères liés à la variation de la fréquence de rotation des ventilateurs : lorsque l'échangeur est givré, les pales du ou des ventilateurs qui lui sont associés givrent également, ce qui ralentit leur fréquence de rotation. L'intensité pour assurer un débit d'air équivalent doit alors être plus importante. Le dégivrage est alors enclenché lorsque l'intensité qui alimente les ventilateurs augmente d'une valeur donnée, par exemple d'au moins 20% par rapport à sa valeur nominale. Ici encore on peut considérer une mesure de référence (nominale) après la première phase de descente rapide, donc à un moment qui fournit une situation où l'échangeur n'est pas encrassé par le givre. L'invention concerne alors un procédé de gestion du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, où le camion est muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - d'un système d'échangeur thermique dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant au moins un échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre ; - d'au moins une vanne située sur une voie fluidique entre la réserve et ledit échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre ; - ainsi que d'un système de circulation d'air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois froides du ou des échangeurs interne(s) à la chambre ; se caractérisant en ce que l'on ordonne une opération de dégivrage de l'un ou certains desdits échangeurs interne(s) à la chambre en fonction de la prise en compte de l'un ou de chacun des critères suivants : - l'ouverture de ladite vanne ; - la fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur ; ceci préférentiellement dans les conditions suivantes : i) critère lié à l'ouverture de ladite vanne : - on évalue la fréquence d'ouverture de ladite vanne à un moment donné de la tournée du camion ; - on évalue la fréquence d'ouverture de ladite vanne à un moment référence de la tournée du camion ; - on effectue la comparaison des deux fréquences et l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque la fréquence d'ouverture audit moment donné est réduite d'au moins une valeur de consigne d'ouverture par rapport à la fréquence audit moment de référence. j) critère lié à la fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur : - on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur à un moment donné de la tournée du camion ; - on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur à un moment référence de la tournée du camion ; - on effectue la comparaison des deux intensités et l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque l'intensité qui alimente le ventilateur audit moment donné est augmentée d'au moins une valeur de consigne d'intensité par rapport à l'intensité mesurée audit moment de référence. La figure 1 annexée illustre par des résultats expérimentaux l'accumulation de la masse d'eau dans l'enceinte et les conséquences en termes de fréquence d'ouverture plus réduite de la vanne alimentant en cryogène, ceci dans le cas du transport de produits frais, et dans le cas du transport de produits surgelés. REVENDICATIONS1. Procédé de gestion du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, où le camion est muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - d'un système d'échangeur thermique dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant au moins un échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre ; - d'au moins une vanne située sur une voie fluidique entre la réserve et ledit échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre ; - ainsi que d'un système de circulation d'air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois 15 froides du ou des échangeurs interne(s) à ladite au moins une chambre ; se caractérisant en ce que l'on ordonne une opération de dégivrage de l'un ou certains desdits échangeurs interne(s) à la chambre en fonction de la prise en compte de l'un ou de chacun des critères suivants : - l'ouverture de ladite vanne ; 20 - la fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur. 2. Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que l'on ordonne l'opération de dégivrage de l'un ou certains desdits échangeurs interne(s) à la chambre en fonction de la prise en compte de l'un ou de chacun 25 desdits deux critères dans les conditions suivantes : i) critère lié à l'ouverture de ladite vanne : - on évalue la fréquence d'ouverture de ladite vanne à un moment donné de la tournée du camion ; - on évalue la fréquence d'ouverture de ladite vanne à un moment 30 référence de la tournée du camion ; - on effectue la comparaison des deux fréquences et l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque la fréquence d'ouverture audit momentdonné est réduite d'au moins une valeur de consigne d'ouverture par rapport à la fréquence audit moment de référence. j) critère lié à la fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur : - on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur à un moment donné de la tournée du camion ; - on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur à un moment référence de la tournée du camion ; - on effectue la comparaison des deux intensités et l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque l'intensité qui alimente le ventilateur audit moment donné est augmentée d'au moins une valeur de consigne d'intensité par rapport à l'intensité mesurée audit moment de référence. 3. Procédé selon la revendication 2, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère d'ouverture de la vanne, et en ce que ledit moment donné de la tournée du camion est un moment où la température interne à la caisse est proche d'une température de consigne, préférentiellement dans une gamme de +/- 1°C par rapport à cette consigne de température interne à la caisse. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère d'ouverture de la vanne, et en ce que ledit moment référence de la tournée du camion est situé après la première phase de descente rapide de la caisse intervenant après la mise en route ou la remise en route du système frigorifique du camion, i.e intervenant par exemple au démarrage d'une tournée du camion ou après un arrêt prolongé du système frigorifique pour une raison quelconque ou encore après une ouverture de porte(s) du camion. 5. Procédé selon la revendication 4, se caractérisant en ce que ledit moment référence de la tournée du camion est situé dans les 30mn à 120mn,et plus préférentiellement dans les 90mn à 120mn suivant la première phase de descente rapide de la caisse. 6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, se caractérisant en ce que ledit moment référence de la tournée du camion est déterminé par le déclenchement d'un compteur après la première phase de descente rapide de la caisse intervenant après la mise en route ou la remise en route du système frigorifique du camion. 7. Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère d'ouverture de la vanne, et en ce que l'on effectue la comparaison des deux fréquences et l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque la fréquence d'ouverture audit moment donné est réduite d'au moins 30 % par rapport à la fréquence audit moment de référence. 8. Procédé selon la revendication 2, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère de fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur, et en ce que ledit moment donné de la tournée du camion où l'on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur est un moment où la température interne à la caisse est proche d'une température de consigne, préférentiellement dans une gamme de +/- 1°C par rapport à cette consigne de température interne à la caisse. 9. Procédé selon la revendication 8, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère de fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur, et en ce que ledit moment référence de la tournée du camion où l'on évalue l'intensité qui alimente le ventilateur est situé après la première phase de descente rapide de la caisse intervenant après la mise en route ou la remise en route du système frigorifique du camion, i.e intervenant par exemple au démarrage d'une tournée du camion ou après un arrêt prolongé du systèmefrigorifique pour une raison quelconque ou encore après une ouverture de porte(s) du camion. 10. Procédé selon la revendication 9, se caractérisant en ce que ledit moment référence de la tournée du camion est situé dans les 30mn à 120mn, et plus préférentiellement dans les 90mn à 120mn suivant la première phase de descente rapide de la caisse. 11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, se caractérisant en ce que ledit moment référence de la tournée du camion est déterminé par le déclenchement d'un compteur après la première phase de descente rapide de la caisse intervenant après la mise en route ou la remise en route du système frigorifique du camion. 12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, se caractérisant en ce que l'on prend en compte le critère de fréquence de rotation du ventilateur associé audit échangeur, et en ce que l'on effectue la comparaison des deux intensités alimentant le ventilateur audit moment donné de la tournée du camion et audit moment référence de la tournée du camion, et en ce que l'on ordonne le déclenchement d'un dégivrage lorsque l'intensité qui alimente le ventilateur audit moment donné est augmentée d'au moins 20% par rapport à l'intensité qui alimente le ventilateur audit moment de référence.