Brevet FR3028930A1 — publié le 20160527

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 : - un groupe frigorifique à compression mécanique de vapeur fonctionnant en boucle fermée ; - un groupe cryogénique 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 de l'air interne de la chambre stockant les produits, à la température désirée. La chaleur extraite de l'air permet, tout d'abord, une évaporation complète du fluide cryogénique circulant dans l'échangeur, puis une élévation de sa température jusqu'à une température proche de celle de l'enceinte. Le fluide cryogénique en sortie d'échangeur est alors rejeté à l'extérieur après avoir cédé un maximum d'énergie de refroidissement. Les groupes cryogéniques à injection indirecte ont, en comparaison des groupes froid mécanique, des avantages en terme de bruit, de qualité du froid, de sécurité et de réduction de l'empreinte carbone, avantages aujourd'hui bien connus et incontestables. Cependant, un point y demeure délicat, il s'agit du choix de la technologie d'échangeur mise en oeuvre dans la caisse : sa conception et son installation sont primordiaux dans la constitution d'une solution performante répondant au cahier des charges de ce secteur industriel. 3028930 2 La présente invention s'attache alors à proposer une conception innovante d'un échangeur cryogène/air ((azote, oxygène, argon, krypton, ... ou leurs mélanges)/air) destiné à l'application du transport frigorifique, permettant 5 d'augmenter de façon significative sa compacité et sa facilité de montage en comparaison des caractéristiques des échangeurs de froid mécanique existant et bien connus de l'homme du métier, tout en maintenant un niveau de performance notable. 10 Rappelons en effet que dans l'état actuel de ce domaine technique, les échangeurs utilisés dans les groupes cryogéniques à injection indirecte sont essentiellement des types suivants : 1- Les échangeurs à spirales : l'échangeur est composé de plusieurs spires hélicoïdales reliées entre elles (en amont et en aval) via un 15 distributeur et un collecteur. Seule la surface primaire constitue la surface d'échange nécessaire à l'extraction de la chaleur de l'air. Ceci se traduit par un encombrement élevé. Typiquement, la compacité de tels échangeurs pour produire 10kW de puissance frigorifique à -20°C est de l'ordre de 10m2/m3. Ceci oblige à 20 positionner les échangeurs verticalement, notamment dans la chambre avant, avec des contraintes de coût, de place disponible, de poids, de temps de montage et de difficulté pour convertir en solution cryogénique des camions fonctionnant avec un groupe du froid mécanique. 25 2- Les échangeurs à tubes et ailettes standards (on parle de « batteries en tubes et ailettes ») : cette technologie offre certes une meilleure compacité, mais les échangeurs standards présents sur le marché ont été exclusivement conçus pour fonctionner avec les 30 fluides frigorigènes des groupes mécaniques (R-404A, R410A, R22, R744, ...). Intrinsèquement, ces échangeurs fonctionnant comme évaporateurs sont habituellement alimentés en un mélange 3028930 3 fortement diphasique (20 à 40% du titre massique en vapeur). En sortie, le fluide est à l'état de vapeur surchauffée mais de quelques degrés seulement, avant qu'il ne soit aspiré par le compresseur pour continuer son cycle frigorifique. La conception de tels échangeurs 5 prend en considération ces conditions de fonctionnement. La figure 1 annexée illustre un exemple d'une telle batterie en tubes et ailettes (ailettes dites continues par opposition aux ailettes dites individuelles » ou « tubes ailettes »). On y voit bien que la batterie comporte une canalisation unique où peut circuler un fluide 10 cryogénique, entre une entrée du fluide dans l'échangeur et une sortie du fluide de l'échangeur et un système d'ailettes planes et parallèles, traversées par la canalisation dans son circuit à l'intérieur de l'échangeur, l'air pouvant circuler au sein de l'échangeur en traversant des canaux délimités par l'espace entre la canalisation 15 et les ailettes parallèles. En l'occurrence la figure 1 illustre un échangeur à courants croisés où l'air circule dans une direction perpendiculaire au plan de la figure. Ces échangeurs/évaporateurs standards ne sont pas adaptés pour y admettre un liquide cryogénique tel l'azote liquide en tant que 20 fluide frigorigène. Ils ne sont tout simplement pas adaptés pour fournir les niveaux requis de performance, c'est-à-dire de puissance frigorifique à une température donnée. 3- Les échangeurs caloducs : leur principe de fonctionnement est par 25 exemple décrit dans le document W02013/006217. On peut avoir de très sérieux doutes quant à l'utilisation de cette technologie pour convertir des camions fonctionnant avec un groupe de froid mécanique en solution cryogénique de type injection indirecte. 30 La présente invention propose alors une conception innovante d'échangeur cryogène/air, basée sur une structure de base qui est une technologie de batterie en tubes et ailettes, qui compte tenu des remarques et 3028930 4 réserves listées ci-dessus, a dû être profondément modifiée pour répondre au cahier des charges de ce secteur technique. Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la Demanderesse s'est attachée à la résolution des points suivants, pour améliorer les batteries 5 tubes et ailettes existantes : - Selon la qualité d'isolation de la tuyauterie reliant le réservoir cryogénique à l'échangeur, l'alimentation de l'échangeur se fait avec un liquide légèrement diphasique (typiquement 1% à 10% maximum). La distribution du fluide dans l'échangeur (circuiterie) est par conséquent un point qu'il faut 10 soigneusement adresser, d'autant plus en considérant le fait que la présence de quelques pourcents de débit massique du cryogène sous forme vapeur se traduit en quantité très importante en terme de débit volumique. A titre illustratif, un titre massique de vapeur à 5% équivaut à 90% de taux de vide. - Cette conception de la circuiterie de parcours du cryogène au sein de 15 l'échangeur doit être également adressée très attentivement sur la question du « pincement » de l'échangeur. En effet, pour une meilleure exploitation de l'énergie interne du cryogène et une optimisation du rendement de l'échangeur, il faut s'attacher à ce que le pincement de l'échangeur soit de quelques degrés seulement. 20 On rappelle que la notion de « pincement » d'un échangeur s'exprime de la façon suivante : Pincement = Tint - Tsortie fluide , où Tint = la température interne à la chambre 25 et Tsortie fluide = la température des vapeurs froides sortant de l'échangeur Autrement dit, l'énergie interne exploitée dans le cas d'un échangeur alimenté avec un cryogène est d'environ 50% sous forme de chaleur latente et 50% de chaleur sensible. Cette particularité (qui est absente dans les 30 échangeurs/évaporateurs du froid mécanique) impose un choix optimum du circuit de progression du cryogène à l'intérieur de l'échangeur pour avoir un 3028930 5 temps de séjour suffisant du cryogène dans l'échangeur. En effet, les pertes de charges dans l'échangeur pour le cryogène doivent être optimisées (moyennant un circuit adapté) : trop peu de pertes de charges se traduit par un temps de séjour faible du cryogène (progression rapide) qui sort de 5 l'échangeur à des températures très froides (pincement élevé) et se traduit donc par un rendement réduit, synonyme d'une forte consommation, tandis que trop de pertes de charges allonge le temps de séjour dans l'échangeur, d'où un débit réduit, et une puissance frigorifique réduite. - la question de la formation de givre sur les surfaces d'échange de 10 l'échangeur est aussi une question cruciale qu'il faut adresser : le transport des produits sous température dirigée est un maillon de la chaine du froid, ces produits sont amenés à être livrés à leurs destinataires pour qu'ils soient stockés dans des chambres froides, des meubles de ventes frigorifiques, des frigos etc ... Leur livraison impose inévitablement des ouvertures de portes du 15 camion pour décharger et charger les produits, ouvertures parfois nombreuses au cours d'une tournée. Durant ces ouvertures de portes, il s'opère un transfert de chaleur et de masse entre le volume de l'enceinte réfrigérée et l'atmosphère extérieure. Ceci se traduit par une élévation de la température dans le camion et surtout par un dépôt du givre sur les surfaces froides, notamment celles de 20 l'échangeur. Ouverture après ouverture, la couche du givre s'épaissie provoquant une résistance thermique au transfert du froid vers l'air et une réduction des sections de passage de l'air au sein de l'échangeur (entre les ailettes), d'où un effondrement de la puissance frigorifique maximum disponible. 25 - la question de la compacité des échangeurs doit également être adressée puisqu'en effet, la taille des camions porteurs et semi-remorques partout dans le monde est standardisée et est fonction du nombre de palettes qui y sont transportées. Par conséquent, le choix de l'emplacement de l'échangeur dans la caisse interne du camion est limité et les opérateurs 30 préfèrent le voir positionné au plafond pour ne pas impacter la charge utile du camion. Cela implique la conception d'un échangeur compact par rapport à l'encombrement des échangeurs/évaporateurs du froid mécanique. 3028930 6 La présente invention concerne alors un échangeur de type batterie tubes et ailettes, du type qui comporte : - une canalisation où peut circuler un fluide cryogénique, entre une 5 entrée du fluide dans l'échangeur et une sortie du fluide de l'échangeur ; - un système d'ailettes planes, continues et parallèles, traversées par ladite canalisation dans son circuit à l'intérieur de l'échangeur, l'air pouvant circuler au sein de l'échangeur en traversant des canaux délimités par l'espace entre la dite canalisation et les ailettes parallèles ; 10 se caractérisant en ce qu'il comporte au moins deux canalisations indépendantes de circulation du fluide cryogénique au sein de l'échangeur. L'invention peut par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : 15 - selon l'un des modes de réalisation avantageux de l'invention, on favorise le fait que la formation de givre s'effectue essentiellement dans la partie basse de l'échangeur (en libérant ainsi le reste de l'échangeur) : pour cela, en considérant l'échangeur dans l'espace comme une « caisse » avec une partie haute, une partie basse et des cotés, on met en oeuvre le fait que le 2 0 cryogène entre dans la partie basse de l'échangeur, et parcourt un certain nombre de longueurs dans la partie basse de l'échangeur avant de monter vers le haut de l'échangeur. Comme il apparaitra clairement à l'homme du métier, dans cette configuration, la partie basse accueille le cryogène à l'état liquide ou 25 liquide/vapeur, c'est ainsi la plus froide, elle représente donc une zone plus favorable à l'accumulation du givre, ce qui permet de limiter les conséquences de l'accumulation du givre, tant thermiques qu'aérauliques dans le reste de l'échangeur i.e sur la partie dédiée à la chaleur sensible. A titre illustratif, conformément à l'invention, environ 50% de la surface d'échange est située 30 dans la moitié basse de l'échangeur (de la caisse). - selon un autre des modes de réalisation avantageux de l'invention, dans la partie basse de l'échangeur, le sens de circulation de l'air dans 3028930 7 l'espace est à co-courant du sens de circulation du cryogène, tandis que dans la partie haute de l'échangeur l'air circule à contre-courant (la partie haute dédiée à la chaleur sensible étant en contre-courant plus efficace thermiquement). A titre illustratif, conformément à l'invention, dans la moitié 5 basse de l'échangeur (de la caisse) l'air circule entre les ailettes à co-courant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié basse, tandis que dans la moitié haute de l'échangeur l'air circule entre les ailettes à contre-courant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié haute. - selon l'un des modes de réalisation avantageux de l'invention, le pas 10 des ailettes est situé dans la gamme de 6 à 10 mm. 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 15 pour lesquels : - la figure 1 est une vue schématique partielle de coté d'une batterie de type tube et ailettes conforme à l'art antérieur. - la figure 2 est une vue schématique partielle de face d'une batterie conforme à l'invention, mettant en oeuvre deux canalisations 20 indépendantes de circulation du fluide cryogénique au sein de l'échangeur (vue de face i.e l'on voit ici la face d'entrée et sortie des canalisations dans et de l'échangeur). On a déjà indiqué plus haut le fait que la figure 1 est une vue 25 schématique partielle de coté d'une batterie de type tube et ailettes conforme à l'art antérieur, qui comprend un système d'ailettes planes (3), continues et parallèles, traversées par une unique canalisation (4) dans son circuit à l'intérieur de l'échangeur (entrée du cryogène en 1, sortie du cryogène en 2), l'air circulant au sein de l'échangeur en traversant des canaux délimités par 30 l'espace entre la canalisation et les ailettes parallèles, en l'occurrence l'air circule ici dans une direction perpendiculaire au plan de la figure (échangeur dit « à courants croisés »). 3028930 8 La figure 2 illustre donc en revanche une structure d'échangeur conforme à l'invention : - les références 10 et 11 désignent respectivement l'entrée du cryogène 5 dans l'échangeur et la sortie du cryogène de l'échangeur. - l'échangeur se caractérise par la présence de deux canalisations indépendantes 10a et 10b formant le circuit du cryogène à l'intérieur de l'échangeur. - la référence 12 désigne le sens de parcours de l'air dans l'échangeur. 10 - comme on l'a dit plus haut, la figure 2 montre donc la face avant de l'échangeur i.e la face d'entrée et sortie des canalisations dans et de l'échangeur. En d'autres termes dans le contexte de cette vue, les canalisations vont vers le fond de la figure, reviennent vers cette face avant, repartent vers le fond etc....selon le nombre d'aller-retour effectués par le 15 circuit suivi à l'intérieur de l'échangeur, avant de ressortir en face avant par la nourrisse 11. Selon les règles classiques de représentation, les traits continus représentent les coudes visibles (extérieurs) reliant deux tubes ou portions de canalisation (entre une portion sortante et la portion qui re-rentre dans 20 l'échangeur), tandis que les traits discontinus représentent les coudes reliant deux tubes et se retrouvant de l'autre côté de la batterie (sortant et re-rentrant dans la face du fond). - la figure 2 illustre par ailleurs un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention où les entrées-sorties du cryogène dans et de l'échangeur sont 25 configurées pour pouvoir mettre en oeuvre le fait que le cryogène entre dans la partie basse de l'échangeur, et parcourt une ou plusieurs longueurs des deux canalisations dans la moitié basse de l'échangeur (B) avant de monter vers le haut de l'échangeur. Cela, on l'a vu, favorise le fait que dans cette configuration, la partie basse accueille le cryogène à l'état liquide ou 30 liquide/vapeur, c'est ainsi la plus froide, elle représente donc une zone plus favorable à l'accumulation du givre, ce qui permet de limiter les conséquences de l'accumulation du givre dans le reste de l'échangeur i.e sur la partie H 3028930 9 dédiée à la chaleur sensible. Ici en l'occurrence, environ 50% de la surface d'échange est située dans la moitié basse B de l'échangeur. - la figure 2 illustre par ailleurs un autre mode préféré de mise en oeuvre de l'invention où dans la moitié basse B de l'échangeur, l'air circule entre les 5 ailettes à co-courant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié basse, tandis que dans la moitié haute (H) de l'échangeur l'air circule entre les ailettes à contre-courant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié haute (dans la partie basse, l'entrée de l'air et l'entrée du cryogène sont en cocourant, tandis que dans la partie haute l'entrée de l'air et la sortie du cryogène 10 sont à contre-courant). Les expérimentations effectuées par la Demanderesse ont permis de démontrer qu'une telle conception de l'échangeur conforme à l'invention a permis d'obtenir une meilleure performance tant sur sa puissance frigorifique 15 que sur sa résistance au givre : - la puissance nominale, plus importante qu'un échangeur non optimisé (tel celui de la figure 1) est maintenue : l'échangeur tel que celui de la figure 1 peut offrir certes une surface d'échange suffisante, mais notamment son circuitage, et le pas d'ailettes sont inadaptés à l'application cryogénique. 20 - la quantité de givre par m2 est deux fois moins importante que celle formée dans des échangeurs non optimisés (tel celui de la figure 1). - la compacité de l'échangeur a été augmentée d'un facteur 10 par rapport à un échangeur spiral mettant en oeuvre une surface d'échange uniquement primaire. 25 - la perte de charge comparative entre les figures 1 et 2 s'évalue ainsi : 100-200mbar vs. 500 à 1000 mbars. - la puissance frigorifique comparative entre les figures 1 et 2 s'évalue ainsi : 4 kW vs. 10kW. 30 Comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, l'invention s'attache, par les modifications apportée à une batterie standard, et notamment 3028930 10 par le circuitage adopté, à augmenter le temps de séjour du cryogène dans l'échangeur pour optimiser l'échange thermique avec l'air. REVENDICATIONS1. Echangeur (E) de type batterie tubes et ailettes, qui comporte : - une canalisation (4) où peut circuler un fluide cryogénique, entre une entrée (1) du fluide dans l'échangeur et une sortie (2) du fluide de l'échangeur ; - un système d'ailettes planes (3), continues et parallèles, traversées par ladite canalisation dans son circuit à l'intérieur de l'échangeur, l'air (12) pouvant circuler au sein de l'échangeur en traversant des canaux délimités par l'espace entre la dite canalisation et les ailettes parallèles , se caractérisant en ce qu'il comporte au moins deux canalisations (10a, 10b) indépendantes de circulation du fluide cryogénique au sein de l'échangeur. 2. Echangeur selon la revendication 1, se caractérisant en ce que, en considérant l'échangeur dans l'espace comme une caisse avec une partie haute (H), une partie basse (B) et des cotés, les entrée-sortie du cryogène dans et de l'échangeur sont configurées pour pouvoir mettre en oeuvre le fait que le cryogène entre dans la partie basse de l'échangeur, et parcourt un certain nombre de longueurs de canalisations dans la moitié basse de l'échangeur avant de monter vers le haut de l'échangeur. 3. Echangeur selon la revendication 2, se caractérisant en ce que environ la moitié de la surface d'échange cryogène/air définie par lesdites canalisations est située dans la moitié basse de l'échangeur. 4. Echangeur selon la revendication 2 ou 3, se caractérisant en ce que dans la moitié basse de l'échangeur, l'air circule entre les ailettes à cocourant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié basse, tandis que dans la moitié haute de l'échangeur l'air circule entre les ailettes à contre- courant du sens de circulation du cryogène dans cette moitié haute. 3028930 12 5. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant en ce que le pas des ailettes est situé dans la gamme de 6 à 10 mm. 5 6. Véhicule de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré, de type dit à injection indirecte, camion 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 interne à ladite au moins une 10 chambre, dans lequel circule le fluide cryogénique, - 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 système d'échangeur thermique, se caractérisant en ce que le système d'échangeur thermique interne à 15 au moins une desdites chambres est conforme à l'une des revendications 1 à 5.