Brevet FR3111689A1 — publié le 20211224

L'invention concerne notamment un procédé de refroidissement d’un liquide (L) qui consiste en du lait ou de l’eau, qui est contenu dans un réservoir de stockage et de refroidissement (1), à l’aide d’un équipement de refroidissement en circuit fermé comprenant un évaporateur (2), un compresseur (3), un condenseur (4) ainsi qu’un détendeur (5), circuit dans lequel circule un fluide réfrigérant (FF), ledit évaporateur (2) étant en contact d’échange thermique avec au moins une partie de la paroi de fond dudit réservoir (1), caractérisé en ce que : - ledit refroidissement est mis en œuvre de manière à atteindre une température de consigne à l’intérieur d’un créneau de temps prédéterminé ; - et que l’on pilote la puissance frigorifique du compresseur (3) en fonction d’une part de la quantité de calories à prélever dans ledit liquide (L) et, d’autre part, de la durée maximale de refroidissement souhaitée à l’intérieur dudit créneau, pour atteindre ladite température de consigne. Figure 1 procédé de refroidissement d’un liquide, programme et mémoire d’ordinateur pour sa mise en œuvre DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention est relative à un procédé de refroidissement d’un liquide qui consiste en du lait ou de l’eau, qui est contenu dans un réservoir de stockage et de refroidissement. Elle se rapporte également à un programme et à une mémoire d’ordinateur pour la mise en œuvre de ce procédé. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine de la collecte de lait, il est courant de stocker le lait issu de la traite des animaux dans un réservoir de stockage et de refroidissement, jusqu’à ce qu’une collecte de ce lait ait lieu. La fréquence de celle-ci peut varier (usuellement de 24 à 72h). Bien entendu, il est essentiel de refroidir le liquide stocké dans un délai raisonnable pour s’assurer d’avoir une bonne qualité sanitaire et organoleptique. Il est courant de faire usage, pour assurer ce refroidissement, d’une installation de refroidissement en circuit fermé comprenant à minima un évaporateur, un compresseur, un condenseur ainsi qu’un détendeur, circuit dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit évaporateur étant en contact d’échange thermique avec au moins une partie de la paroi de fond du réservoir. La plupart des installations actuelles fonctionnent ainsi en détente directe. L’évaporateur est situé en dessous du réservoir où est stocké le lait. Le dimensionnement des dispositifs qui forment l’installation est généralement réalisé pour s’assurer de refroidir le lait en 3 heures maximum, lorsque la température d’air ambiant est de 32°C et que réservoir est rempli au maximum. Ceci correspond au cas le plus contraignant. On peut se référer à la version révisée de la norme NF EN 13732 publiée en 2013, qui énumère les prescriptions relatives à la sécurité des refroidisseurs de lait en vrac équipés d'un groupe frigorifique. En réalité, on retrouve très rarement le cas de figure présenté plus haut au cours de l’exploitation réelle des équipements. Le réservoir est rarement rempli entièrement et la température d’air à l’entrée des condenseurs est souvent inférieure à 32°C (notamment en hiver) dans les régions à climat tempéré, surtout si les condenseurs sont disposés à l’extérieur du bâtiment, ce qui est préconisé. La puissance développée par le compresseur est alors bien plus élevée que nécessaire pour refroidir le volume nécessaire en moins de trois heures. Cette puissance plus élevée entraine une quantité de chaleur à évacuer plus importante et une température de condensation plus élevée et, globalement, peut conduire à une surconsommation énergétique De plus, utiliser un compresseur trop puissant augmente le risque de gel du lait, en particulier en début de la première traite, ce qui correspond au début du remplissage du réservoir, ou lorsque lorsqu’une quantité peu importante de lait déjà refroidi est présente dans le réservoir. Ce cas de figure est particulièrement prégnant lorsque la traite du lait est réalisée par un robot. Selon la technique décrite dans EP3146283, un procédé qui régule le fonctionnement du compresseur en fonction du niveau de remplissage du liquide dans le tank a déjà été décrit. Cette régulation se fait en tenant compte de valeurs seuils de pression ou de température à l'entrée du compresseur ou de l'évaporateur, de manière à refroidir le lait le plus rapidement possible tout en limitant le risque de gel du lait. Ainsi, on refroidit rapidement une quantité de lait, mais sans tenir compte de la consommation d’énergie correspondante. La présente invention a pour but de résoudre ce problème. En d’autres termes, elle vise à proposer un procédé qui soit particulièrement économe en énergie, tout en évitant le gel du liquide, et ce dans une plage de temps imparti. PRESENTATION DE L'INVENTION Ainsi, la présente invention se rapporte en premier lieu à un procédé de refroidissement d’un liquide qui consiste en du lait ou de l’eau, qui est contenu dans un réservoir de stockage et de refroidissement, à l’aide d’un équipement de refroidissement en circuit fermé comprenant à minima un évaporateur, un compresseur, un condenseur ainsi qu’un détendeur, circuit dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit évaporateur étant en contact d’échange thermique avec au moins une partie de la paroi de fond dudit réservoir, caractérisé en ce que : - ledit refroidissement est mis en œuvre de manière à atteindre une température de consigne à l’intérieur d’un créneau de temps prédéterminé ; - et que l’on pilote la puissance frigorifique du compresseur en fonction d’une part de la quantité de calories à prélever dans ledit liquide et, d’autre part, de la durée maximale de refroidissement souhaitée à l’intérieur dudit créneau, pour atteindre ladite température de consigne. Grâce à ces caractéristiques, on parvient à ajuster la puissance frigorifique aux besoins de l’utilisateur de l’installation pour faire en sorte que le liquide soit refroidi dans le délai imparti, quels que soient les paramètres de température et de quantité de liquide, tout en apportant une réduction importante de la consommation d’énergie. Selon d'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses de ce procédé, prises individuellement ou selon une combinaison quelconque d'au moins deux d'entre elles : - on utilise un compresseur à vitesse variable ; - on utilise un capteur de niveau du liquide présent dans ledit réservoir pour en déduire la masse de liquide présent dans le réservoir ; - on pilote la pression de condensation au sein dudit équipement à l’aide d’au moins un ventilateur à vitesse variable, de façon à réduire de la consommation d’énergie dudit équipement en abaissant ladite pression de condensation ; - on procède à une récupération de calories dégagées par ledit équipement par l’usage d’un dispositif de récupération de chaleur qui permet de chauffer de l’eau ; - on utilise un dispositif de pré-refroidissement dudit liquide, de manière à abaisser sa température avant qu’il soit introduit dans ledit réservoir de stockage et de refroidissement. Par ailleurs, la présente invention se rapporte à un programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des caractéristiques citées ci-dessus, lorsqu’il est exécuté sur un calculateur tel qu’un ordinateur. Enfin, elle concerne une mémoire d’ordinateur dans laquelle est stocké un programme, ledit programme comportant des instructions de code qui permettent à une machine de mettre en œuvre le procédé selon l’une des caractéristiques citées ci-dessus, lorsque ce programme est exécuté par ladite machine. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va maintenant en être faite, en référence aux dessins annexés, qui en représentent, à titre indicatif mais non limitatif, des modes de réalisation possibles. Sur ces dessins : est un schéma d’une installation qui est susceptible d’être utilisée pour la mise en œuvre du présent procédé ; est un logigramme détaillant les principales étapes dudit procédé ; est un graphique montrant, en fonction du temps, l’évolution de la température du lait dans un réservoir et la puissance absorbée pendant le refroidissement selon l’invention, comparativement à une solution antérieure ; est un graphique montrant, en fonction du temps, l’évolution de consommation d’une installation mettant en œuvre le procédé selon l’invention, comparativement à une solution antérieure. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION A la figure 1 est représenté très schématiquement un exemple d’installation qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé selon la présente invention. Il s’agit d’une représentation purement illustrative. Dans le cadre de cet exemple, on suppose que cette installation est en place dans une ferme et est prévue pour refroidir le lait issu de la traite de vaches. Dans une variante de réalisation non décrite ici en détail, le liquide à refroidir pourrait être de l’eau, utilisée ultérieurement pour la préparation d’aliments (par exemple en boulangerie) ou encore pour l’alimentation de circuits de refroidissement destinés à des procédés industriels séquentiels devant faire face à de brusques variations de charge thermique. Cette installation I comprend est un réservoir de stockage et de refroidissement 1, communément appelé tank, dont la capacité peut aller de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de litres, en fonction du nombre d’animaux dont le lait est collecté. On a référencé 10 la canalisation d’arrivée de lait et 11 un dispositif d’agitation. Le lait à refroidir déjà présent dans le réservoir 1 est référencé L. Ce réservoir 1 ici est en contact par son fond avec un équipement de refroidissement en un circuit fermé où circule un fluide réfrigérant FF qui passe successivement dans un évaporateur 2, un compresseur 3, un condenseur 4 et un détendeur 5. Selon un mode de réalisation possible de l’invention, ce circuit frigorifique est associé à un ensemble de capteurs reliés à une machine tel qu’un automate A, machine qui est configurée pour appliquer une logique de commande qui régule la vitesse de fonctionnement du compresseur 3 et adapte la puissance frigorifique à développer aux besoins de la ferme et aux conditions ambiantes. Ainsi, ces capteurs sont notamment : Un capteur de niveau C1 qui permet de déterminer à tout moment le volume de lait dans le réservoir 1. Un capteur de température C2 qui permet de déterminer à tout moment la température du lait dans le réservoir 1. Un capteur C3 de température ou de pression pour déterminer à tout moment la pression dans l’évaporateur 2. Un capteur C4 de température ou de pression permettant de déterminer à tout moment la pression dans le condenseur 4. Un capteur de température C5 pour déterminer à tout moment la température de l’air ambiant AA à l’entrée du condenseur 4. Pour une mise en œuvre optimale du procédé selon l’invention, il est possible de faire usage en toute ou partie d’appareils qui disposent des particularités exposées ci-après. Un compresseur à vitesse variable, combiné à une logique de régulation adaptée, permet d’ajuster la puissance du compresseur aux besoins pour limiter la consommation d’énergie et de diminuer la puissance à délivrer dans des situations dans lesquelles apparait un risque de gel du lait. Par ailleurs, on peut avantageusement utiliser un détendeur 5 électronique pour pouvoir suivre la puissance imposée par le compresseur 3 et garder une surchauffe constante sur toute la durée du refroidissement. On peut aussi faire usage d’un condenseur 4 dont le ventilateur est à vitesse variable, pour s’assurer de rester dans la gamme de températures admise par le compresseur 3 et appliquer une logique de gestion en « haute pression flottante » qui permet de réduire les consommations d’énergie lorsque la température ambiante est réduite par rapport au point de fonctionnement nominal. En outre, l’installation I peut avantageusement mais non obligatoirement être pourvue d’au moins un des équipements suivants, lesquels sont destinés à en améliorer le fonctionnement. Il s’agit notamment d’un pré refroidisseur PR dont la fonction est de refroidir le lait, par exemple à 20°C, avant de le faire rentrer dans le réservoir 1. Un tel pré refroidisseur PR est une technologie connue qui permet d’économiser jusqu’à environ 40% d’énergie. Cependant, son association avec un compresseur à vitesse variable est intéressante car elle permet des degrés supplémentaires de liberté. En effet, ces compresseurs à vitesse variable fonctionnent, avec ou sans un pré refroidisseur, selon la même logique de régulation. Mais dans le cas de la présence d’un pré refroidisseur, la puissance frigorifique P demandée au compresseur est réduite de 50%, car au lieu d’avoir un lait qui rentre habituellement dans le réservoir 1 à 35°C, il est pré refroidi à 20°C. L’avantage est qu’il n’y a pas de préréglage à faire suite à l’implantation d’un pré refroidisseur. Par ailleurs, si le pré refroidisseur présente un défaut et n’atteint pas les performances supposées, le compresseur 3 s’adapte pour s’assurer d’un refroidissement en trois heures. Cela permet aussi de réduire le nombre potentiel d’alarmes qui peuvent être déclenchées suite aux mauvais fonctionnements d’autres systèmes dans la ferme. Il s’agit aussi d’un récupérateur de chaleur RC qui fait usage des calories du fluide réfrigérant pour chauffer de l’eau par le biais d’un échangeur supplémentaire. Cette eau chaude servira ultérieurement au nettoyage du réservoir 1 ou des surfaces constituant l’environnement immédiat du réservoir. Ainsi, ce récupérateur de chaleur RC est implanté pour récupérer l’énergie issue de la condensation. Que l’on ait prévu un pré refroidisseur PR ou non, la quantité de chaleur rejetée est assez grande, dans une configuration classique, pour économiser entre 70 et 80% d’énergie sur la production d’eau chaude pour nettoyer le réservoir et les quais auxquels accèdent les véhicules de collecte du lait. Bien entendu, la présence de ce récupérateur est facultative. Comme indiqué plus haut, la présente invention vise essentiellement un procédé de refroidissement d’un liquide, lequel est remarquable en ce qu’il comprend les étapes qui consistent à : - mettre en œuvre le refroidissement du lait de manière à atteindre une température de consigne à l’intérieur d’un créneau de temps prédéterminé ; - piloter la puissance frigorifique du compresseur en fonction d’une part de la quantité de calories à prélever dans le liquide et, d’autre part, de la durée maximale de refroidissement souhaitée à l’intérieur dudit créneau, pour atteindre ladite température de consigne. Ainsi, en supposant à titre d’exemple purement illustratif, que l’on souhaite refroidir du lait dans une période de temps de trois heures, alors la puissance frigorifique P à délivrer est calculée selon la formule suivante : formule dans laquelle : P est la puissance frigorifique demandée au compresseur 3 (en W) ; est la masse de lait dans le réservoir 1 (en kg) ; est la capacité calorifique du lait (en kJ/(kg.K)) ; : Température du lait dans le réservoir 1 (en °C) ; Tconsigne : Température de consigne à atteindre (en °C) ; D : temps de refroidissement souhaité pour atteindre la température de consigne (en heures) ; : temps de refroidissement écoulé (en s). Le compresseur à vitesse variable 3, à titre d’exemple, faire varier sa vitesse de rotation de 1200 à 7000 tr/min. Lors du dimensionnement de l’installation I, il est nécessaire de s’assurer que la plage de puissance du compresseur permet toujours de couvrir le cas le plus défavorable défini par la norme précitée (à savoir un réservoir rempli au maximum et la température de l’air ambiant égale à 32°C). Lorsque l’on fait usage d’un détendeur 5 électronique, cela permet de suivre les variations de puissances appliquées par le compresseur à vitesse variable et, par voie de conséquence, de réguler une surchauffe stable et quasi constante tout au long du refroidissement, de manière à améliorer le rendement du système, et en particulier d’autoriser des températures d’évaporation élevées en début de cycle, ce qui améliore notablement le rendement énergétique (communément appelé EER pour « Energy Efficiency Ratio »). De préférence, une machine telle qu’un automate A sert à mettre en œuvre une logique de régulation envoyée au compresseur 3 et à s’assurer du bon fonctionnement de celui-ci. Dans cette régulation, une logique de « Timer », c'est-à-dire de compteur électronique, est importante dans la régulation puisque la puissance P est régulée en fonction du temps écoulé. Ainsi, dès que la température détectée du lait est supérieure à une température de consigne (4°C par exemple), le « Timer » se met en route et commence à incrémenter. A partir de ce moment, la puissance est calculée pour effectuer le refroidissement en un temps imparti (en 3h par exemple), quels que soient le volume de lait présent dans le réservoir 1 et la température du liquide. Lorsque le lait L est introduit en petites quantité successives dans le réservoir 1, l’équation P utilisée permet de faire varier la puissance pour refroidir la traite dans le délai imparti, peu importent la quantité et la température de lait, bien entendu, dans les limites de ce que peut fournir le compresseur 3. Lorsque la température de lait mesurée comme étant inférieure à la température de consigne, on applique la plus petite puissance possible délivrable par le compresseur 3, jusqu’à l’obtention d’une température de consigne (3,5°C par exemple), qui constitue alors une température de coupure. Ainsi, en terminant le refroidissement avec une puissance très faible, on parvient à éviter le gel du lait. Ceci constitue un aspect intéressant notamment dans le cadre des traites robotisées, dans lesquelles de petites quantités de lait parviennent au réservoir 1, mais à de nombreuses reprises dans une même journée. L’exemple qui vient d’être décrit est illustré à la figure 2 annexée sous la forme d’un logigramme. En se reportant à la figure 4, on visualise l’évolution, en fonction du temps (en abscisse), de la température du lait et de la puissance absorbée (en ordonnées) en faisant usage du procédé selon l’invention faisant usage d’un compresseur à vitesse variable, comparativement à un procédé comparatif mettant en œuvre les mêmes équipements, mais dont le compresseur n’est pas à vitesse variable. Dans les deux cas, on considère que l’on a affaire à une première traite, avec un réservoir 1 de 6000 litres, remplie de 1500 litres de lait à 35°C, avec un air ambiant à 32°C. Les courbes de température et de puissance absorbée, relatives à l’invention, sont référencées T1 et P1, tandis que celles relatives au procédé comparatif sont référencées TR et PR. On note que selon l’invention, la puissance absorbée P1 est beaucoup plus faible tout au long du refroidissement. La logique de régulation assurant un refroidissement en 3 heures, on note que la durée de refroidissement est d’environ 30 minutes plus importante qu’avec la solution classique. Cependant, le fait d’avoir une puissance absorbée beaucoup plus faible implique que la consommation globale est plus faible, bien que le système soit en fonctionnement pendant plus de temps. En référence à la figure 4 sont visibles les courbes de consommation électrique CE1 et CER de ces deux solutions, en fonction du temps. On constate que la consommation selon le procédé comparatif est de 22,2 kWh, tandis que celle obtenue selon l’invention est de 14,5 kWh, soit un gain global est de 35% sur la consommation d’énergie. Si l’on trace ces mêmes courbes en faisant usage d’une installation I équipée d’un pré refroidisseur, on constate, selon l’invention, une consommation de l’ordre de 9,2 kWh et un gain de 59% par rapport au procédé comparatif. On notera, en ce qui concerne la problématique de gel du lait, que la puissance frigorifique d’un compresseur à vitesse fixe est de l’ordre de 10-11 kW lorsque le lait arrive à une température de 4°C. Le risque de gel du lait survient principalement en dessous de 4°C et en pratique, la température de lait est descendue jusqu’à au moins 3,5°C pour s’assurer que le lait reste un certain temps en dessous de 4°C avant de remettre le groupe froid en fonctionnement. En faisant usage d’un compresseur à vitesse variable, la logique employée est de diminuer au plus bas la puissance frigorifique envoyée dès lors qu’on ait atteint la température de consigne. Là où on a une puissance de 10 kW avec un compresseur à vitesse fixe, on impose une puissance par exemple de l’ordre de 3,5 kW avec le compresseur à vitesse variable. Le fait de diminuer drastiquement cette puissance implique une diminution tout aussi importante du risque de gel. On récapitule ci-après les bénéfices liés au procédé selon l’invention, dans ses différentes formes de réalisation. Ainsi, on note une diminution de la consommation d’énergie d’environ 30-40% lorsque l’on associe un détendeur électronique et un compresseur à vitesse variable. En faisant usage d’un pré refroidisseur, la diminution de la consommation d’énergie est de 60% par rapport à une technologie de compresseur « Scroll à vitesse fixe », sans pré refroidisseur. Par rapport à une technologie de compresseur à piston, le gain total est de 70%. Par ailleurs, on diminue le risque de gel du liquide. Lorsque l’on utilise un récupérateur de chaleur pour préchauffer un ballon de 300 litres d’eau qui servira pour le nettoyage du réservoir, on obtient un gain de 70 à 80% sur la consommation de l’eau chaude. Les besoins en refroidissement peuvent être très différents selon l’époque de l’année, ou d’une année à une autre (augmentation du nombre d’animaux, regroupement de fermes, etc. L’impact le plus important du procédé selon l’invention par rapport à ce qui est mis en œuvre actuellement est l’adaptation de la puissance frigorifique au plus proche des besoins, et la réalisation d’économies d’énergie très substantielles. Procédé de refroidissement d’un liquide (L) qui consiste en du lait ou de l’eau, qui est contenu dans un réservoir de stockage et de refroidissement (1), à l’aide d’un équipement de refroidissement en circuit fermé comprenant à minima un évaporateur (2), un compresseur (3), un condenseur (4) ainsi qu’un détendeur (5), circuit dans lequel circule un fluide réfrigérant (FF), ledit évaporateur (2) étant en contact d’échange thermique avec au moins une partie de la paroi de fond dudit réservoir (1), caractérisé en ce que : - ledit refroidissement est mis en œuvre de manière à atteindre une température de consigne à l’intérieur d’un créneau de temps prédéterminé ; - et que l’on pilote la puissance frigorifique (P) du compresseur (3) en fonction d’une part de la quantité de calories à prélever dans ledit liquide (L) et, d’autre part, de la durée maximale de refroidissement souhaitée à l’intérieur dudit créneau, pour atteindre ladite température de consigne. Procédé de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l’on utilise un compresseur (3) à vitesse variable. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l’on utilise un capteur de niveau (C1) du liquide (L) présent dans ledit réservoir (1) pour en déduire la masse de liquide présent dans le réservoir (1). Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l’on pilote la pression de condensation au sein dudit équipement à l’aide d’au moins un ventilateur à vitesse variable (40) de façon à réduire de la consommation d’énergie dudit équipement en abaissant ladite pression de condensation. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l’on procède à une récupération de calories dégagées par ledit équipement. Procédé de refroidissement selon la revendication 5, caractérisé par le fait que l’on fait usage d’un dispositif de récupération de chaleur (RC) qui permet de chauffer de l’eau. Procédé de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l’on utilise un dispositif de pré-refroidissement (PR) dudit liquide (L), de manière à abaisser sa température avant qu’il soit introduit dans ledit réservoir de stockage et de refroidissement (1). Programme d’ordinateur comportant des instructions de code pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 7, lorsqu’il est exécuté sur un calculateur tel qu’un ordinateur. Mémoire d’ordinateur dans laquelle est stocké un programme d’ordinateur, ledit programme comportant des instructions de code qui permettent à une machine de mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une des revendications 1 à 7, quand ce programme est exécuté par ladite machine.