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(11) | EP 1 152 183 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Installation de traitement d'objets par un liquide cryogénique |
| (57) L'invention concerne une installation de traitement d'objets par un liquide cryogénique
et notamment un tunnel à convection cryogénique. L'installation comprend une enceinte
de traitement (10) apte à recevoir un objet (12) à traiter comprenant au moins une
buse (16) pour délivrer ledit liquide ; une enceinte (22) de stockage du fluide cryogénique
sous forme diphasique; une conduite (32) pour relier la buse (16) à l'extrémité inférieure
de l'enceinte de stockage (22); des moyens (34) pour mesurer la pression du liquide
à proximité de l'extrémité de raccordement de la conduite à l'enceinte de stockage;
des moyens (30) associés à l'enceinte (22) pour réguler la pression à une valeur prédéterminée
correspondant à un sous-refroidissement et des moyens (36, 38) de réglage du débit
de liquide alimentant ladite buse. |
[0001] La présente invention a pour objet une installation de traitement d'objets par liquide cryogénique et notamment mais non exclusivement un tunnel à convection cryogénique, ainsi qu'un procédé de traitement cryogénique d'objets.
[0002] Les traitements par liquide cryogéniques d'objets sont très répandus, notamment pour réaliser la congélation de produits alimentaires emballés ou non. On sait que pour réaliser cette congélation, il est nécessaire de porter à coeur l'objet congelé à une température de l'ordre de -18°C. Pour obtenir ce résultat, il est bien sûr nécessaire de maintenir l'objet en question dans un environnement qui est maintenu à une température très inférieure à -18°C et qui est par exemple de l'ordre de -80°C.
[0003] Dans de telles installations on utilise le plus souvent, notamment pour la congélation des aliments, de l'azote liquide comme liquide cryogénique de refroidissement.
[0004] Ces installations, notamment les tunnels de convection cryogénique utilisant de l'azote liquide, présentent un grand nombre de sources de pertes de frigories et donc d'augmentation de la consommation en azote liquide nécessaire pour respecter les conditions de température imposées. Ces sources de pertes de frigories sont notamment, l'accès nécessaire à l'enceinte pour la circulation des objets ou la mise en place des objets dans l'enceinte, la régulation de température à l'intérieur de l'enceinte pour chaque cycle de congélation ainsi que les conditions de stockage de l'azote liquide ou plus généralement du fluide cryogénique et son acheminement jusqu'à l'enceinte cryogénique depuis la zone de stockage.
[0005] Un objet de la présente invention est de fournir une installation de traitement d'objets par un liquide cryogénique et notamment un tunnel à convection cryogénique qui présente une organisation telle que la consommation de liquide cryogénique et par exemple d'azote liquide puisse être réduite tout en maintenant les performances de ladite installation.
[0006] Pour atteindre ce but, selon l'invention, l'installation de traitement d'objets par un liquide cryogénique comprend :
une enceinte de traitement apte à recevoir au moins un objet à traiter comprenant au moins une buse pour délivrer dans l'enceinte ledit liquide cryogénique ;
une enceinte de stockage du fluide cryogénique sous forme diphasique ;
une conduite pour relier au moins ladite buse à l'extrémité inférieure de ladite enceinte, des moyens pour mesurer la pression du liquide cryogénique à proximité de l'extrémité de raccordement de ladite conduite avec ladite enceinte de stockage ; des moyens associés à ladite enceinte pour réguler ladite pression à une valeur prédéterminée correspondant à un sous-refroidissement, et
des moyens de réglage du débit de liquide alimentant ladite buse.
[0007] On comprend que la disposition de l'invention selon laquelle on régule la pression du liquide cryogénique à sa sortie de l'enceinte de stockage à une valeur telle que le liquide soit dans un état de sous-refroidissement, permet d'introduire dans l'enceinte de traitement un liquide cryogénique ayant une caractéristique de température parfaitement définie et en particulier indépendante des conditions de stockage du mélange liquide-gaz contenu dans ladite enceinte de stockage.
[0008] De préférence, la pression prédéterminée à laquelle le liquide cryogénique est régulé en sortie dans l'enceinte de stockage est comprise entre 1,5 et 3 bars relatifs.
[0009] Selon une autre caractéristique préférée de l'invention, l'installation est équipée de moyens de réglage du débit du liquide cryogénique alimentant l'enceinte à l'aide d'une première vanne par tout ou rien présentant un débit D1 en position ouverte et une deuxième vanne par tout ou rien montée en parallèle avec la première vanne et présentant un débit D2 très inférieur au débit D1 par quoi il est possible à l'aide de deux vannes par tout ou rien de régler le débit de liquide cryogénique dans l'enceinte de traitement en fonction de la mesure de température dans cette enceinte et en relation avec la température de consigne pour minimiser la quantité de liquide cryogénique utilisée.
[0010] De préférence, l'enceinte de traitement est un tunnel à convection cryogénique dans lequel on trouve un convoyeur sans fin pour le déplacement des objets à traiter et des rampes munies d'une pluralité de buses d'injection du liquide cryogénique dans le tunnel.
[0011] Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, le liquide cryogénique est de l'azote liquide.
[0012] L'invention concerne également un procédé de traitement d'un objet à l'aide d'un liquide cryogénique qui comprend les étapes suivantes :
on dispose ledit objet à l'intérieur d'une enceinte de traitement ;
on injecte ledit liquide cryogénique dans ladite enceinte à l'aide d'au moins une buse,
on alimente ladite buse à partir d'une enceinte contenant ledit fluide cryogénique à l'état biphasique,
on maintient ledit liquide cryogénique alimentant ladite buse à une pression sensiblement constante correspondant à un état sous- refroidi dudit liquide.
[0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de mise en oeuvre de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles :
la figure 1 est une vue de l'ensemble d'une installation de traitement cryogénique dans le cas où l'enceinte de traitement reçoit des produits individuels ;
la figure 2 montre de façon simplifiée en coupe longitudinale un tunnel à convection cryogénique ;
la figure 3 montre un exemple de réalisation de l'ensemble de régulation du débit de liquide cryogénique dans le tunnel ; et
la figure 4 montre l'enceinte de stockage du mélange liquide-gaz cryogénique et les moyens de régulation de cette enceinte.
[0014] En se référant tout d'abord à la figure 1, on va décrire un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention.
[0015] Sur la figure 1, on a représenté une enceinte 10 dans laquelle on peut introduire un objet 12 qui doit faire l'objet d'un traitement cryogénique par exemple en vue de sa congélation. Dans l'enceinte 10, on trouve une rampe 14 munie de buses d'injection 16 pour injecter le liquide cryogénique dans l'enceinte. A l'intérieur de cette enceinte 10, on trouve également des ventilateurs ou un organe analogue 18 pour homogénéiser par convection la température à l'intérieur de l'enceinte. On trouve enfin un capteur de température 20 pour mesurer la température régnant à l'intérieur de l'enceinte 10.
[0016] L'installation comporte également une cuve de stockage 22 du fluide cryogénique sous forme biphasique, la partie liquide étant référencée 24 et la partie gazeuse 26. De préférence, le fluide cryogénique est de l'azote. L'enceinte de stockage 22 est associée à un circuit de régulation 30 permettant, par modification du rapport liquide-gaz de réguler la pression dans l'enceinte 22. L'extrémité inférieure de l'enceinte de stockage 22 est raccordée à l'entrée de la rampe d'injection 14 par une conduite isotherme 32. La conduite 32 est équipée à proximité immédiate de son raccordement à l'enceinte 22 d'un capteur de pression 34 pour mesurer la pression du liquide cryogénique dans cette portion de ladite conduite 32. Cette mesure de pression P1 est comparée à une valeur de consigne de pression P. En fonction du résultat de cette comparaison, un signal de commande est transmis au circuit de régulation 30 de pression dans l'enceinte 22 de telle manière que la pression P1 soit ramenée à la valeur de consigne P. Dans le cas de l'azote, la pression de consigne P est, de préférence, comprise entre 1,5 et 3 bars relatifs. Cette pression de consigne ne doit pas être trop élevée car le nombre de calories par gramme disponible dans le liquide diminue avec l'accroissement de la pression. On comprend que cette régulation de la pression à la sortie de l'enceinte permet un contrôle beaucoup plus efficace qu'avec le système standard 30 de mesure de contrôle de pression qui permet de réguler la pression P2 à la partie supérieure de l'enceinte. Notamment, la régulation de la pression P2 ne permet pas une régulation précise de la pression P1 en raison notamment de la variation possible du remplissage en liquide de l'enceinte 22 et donc de la hauteur H de liquide qui correspond à une pression hydrostatique s'ajoutant à la pression P2.
[0017] La canalisation 32 est également équipée d'un dispositif de commande de débit 36 permettant de contrôler le débit de liquide cryogénique alimentant la rampe 14. Le capteur ou les capteurs de température 20 disposés à l'intérieur de l'enceinte 10 transmettent une information de température effective à un circuit de régulation 38 qui compare la température mesurée à une température de consigne T. Le résultat de cette comparaison permet d'élaborer un signal de commande de débit D qui est appliqué au dispositif de contrôle de débit 36.
[0018] On comprend que grâce aux dispositions de l'invention, la quantité d'azote liquide consommée est limitée au maximum grâce d'une part, à la régulation en pression de ce liquide à la sortie de l'enceinte 22, ce qui permet de contrôler la température du liquide arrivant à la rampe d'injection 14 et, d'autre part, grâce au contrôle de débit de ce liquide, ce débit étant adapté aux conditions de température à l'intérieur de l'enceinte 10, notamment en fonction des phases d'ouverture et de fermeture de cette enceinte pour permettre l'introduction et l'extraction de l'objet 12 à traiter.
[0019] En se référant maintenant à la figure 2, on va décrire un mode particulier de mise en oeuvre de l'installation dans le cas d'un tunnel à convection cryogénique. Ce tunnel 40 est constitué par une enceinte allongée comportant une plate-forme inférieure 42 et une paroi supérieure et latérale 44 isotherme, munie à chacune de ses extrémités d'une ouverture 46 et 47 pour permettre l'introduction et l'extraction des objets à traiter. Dans ce mode de réalisation, un convoyeur à bande continue 48 est prévu à proximité du plancher 42. Ce convoyeur est entraîné par un moteur 50. Le convoyeur 48 comporte une première extrémité de chargement 52 qui est à l'extérieur de l'enceinte du tunnel 40 et une extrémité 54 de déchargement également à l'extrémité de l'enceinte de traitement 40. Comme on l'a déjà expliqué, le tunnel est équipé d'au moins un capteur de température 20 et de préférence de plusieurs capteurs de température et d'une pluralité de ventilateurs ou convecteurs 20 pour assurer une homogénéisation de la température à l'intérieur de l'enceinte 40 par effet de convection.
[0020] La bande sans fin, constituant le convoyeur 48, étant de préférence réalisée en un métal, par exemple de l'acier inoxydable, on prévoit que les extrémités 52 et 54 de ce convoyeur à l'extérieur de l'enceinte soient de longueur aussi réduite que possible afin d'éviter l'élévation de température de l'ensemble dudit convoyeur. Sur cette figure, on retrouve la rampe 14 avec ses buses d'injection 16 alimentées par la conduite 32 à travers le dispositif de réglage de débit 36. La ou les rampes 14 sont constituées de telle manière que les buses 16 soient disposées effectivement dans toute la largeur du tunnel 40, c'est-à-dire selon la direction orthogonale à celle de la figure 2.
[0021] Sur la figure 3, on a représenté un mode préféré de réalisation du dispositif de régulation de débit 36. Ce dispositif qui est monté entre les portions 32a et 32b de la conduite 32 comprend une première conduite 50 sur laquelle est montée une première vanne à commande par tout ou rien 62 dont le débit en position ouverte est D1. Ce dispositif 30 comporte également une deuxième conduite 64 en parallèle avec la conduite 60 sur laquelle est montée une deuxième vanne 66 à commande par tout ou rien de débit D2 en position ouverte. Enfin, le dispositif comporte une troisième conduite en parallèle 68 équipée d'une résistance hydraulique 70. Les vannes 62 et 66 comportent des moyens de commande de leur état ouvert ou fermé de préférence électrique qui sont activés par le circuit de contrôle 38. Lorsque les deux vannes 62 et 66 sont ouvertes, on obtient un débit maximal D1 + D2, lorsque seule la vanne 66 est ouverte, on obtient un débit D2, D2 étant très inférieur à D1. Lorsque les deux vannes sont fermées, on a seulement un débit dans la conduite 68, ce débit étant défini par la restriction 70 de telle manière qu'il corresponde à des conditions de pression dans lesquelles le fluide cryogénique est sous forme de vapeur. La fonction de ce débit dérivé est d'entretenir un flux gazeux dans les buses 16 même en l'absence de débit liquide.
[0022] Le débit dérivé sous forme gazeuse qui arrive dans la rampe d'injection 14 lorsqu'aucun débit liquide n'est présent a pour but d'éviter qu'en l'absence de débit liquide, les buses 16 de la rampe 14 ne soient obturées par exemple par la cristallisation ou condensation d'impuretés pouvant être contenues dans l'atmosphère remplissant le tunnel.
[0023] La commande du dispositif de régulation de débit 36 est réalisée de préférence selon l'algorithme suivant. La température t mesurée dans l'enceinte est comparée à un premier seuil égal à T+T1, T étant la température de consigne devant régner dans l'enceinte, par exemple -80°C, et T1 une température positive par exemple égale à 5°C. Tant que la température t est supérieure à T+T1, les deux vannes restent ouvertes. Lorsque ce premier seuil est atteint, la première vanne 62 est fermée, la rampe étant alimentée avec le seul débit D2. La température t mesurée dans l'enceinte est alors comparée à un deuxième seuil T-T2, T2 étant une température positive inférieure à T1 et, par exemple, égale à 1°C. Ce mode de régulation du débit permet d'utiliser des électrovannes cryogéniques standards. Néanmoins, il assure l'optimisation de la quantité de fluide cryogénique utilisée et du temps de "descente en température" du tunnel 40.
[0024] En se référant maintenant à la figure 4, on va décrire plus en détail l'enceinte de stockage du fluide cryogénique 22. L'enceinte proprement dite est contenue dans un revêtement isotherme 70. L'extrémité inférieure de l'enceinte 52 est raccordée à la conduite 32 qui est calorifugée à l'aide d'un calorifuge très efficace 72. Sur cette figure, on a fait apparaître plus en détail les moyens de régulation de pression avec son circuit de contrôle 30 qui reçoit du capteur 36 l'information de consigne de pression P. Le circuit 40 permet de prélever, à la partie inférieure de l'enceinte 22, du fluide cryogénique sous forme liquide, de faire passer ce liquide prélevé par un réchauffeur 76 et de réinjecter par la conduite 78 le fluide cryogénique sous forme de gaz à la partie supérieure 26 de l'enceinte. On peut ainsi agir sur la pression P2 à la partie supérieure de l'enceinte pour assurer la régulation de la pression à son extrémité inférieure de prélèvement par la conduite 32.
1. Installation de traitement d'objets par un liquide cryogénique comprenant :
une enceinte de traitement apte à recevoir au moins un objet à traiter comprenant au moins une buse pour délivrer dans l'enceinte ledit liquide cryogénique ;
une enceinte de stockage du fluide cryogénique sous forme diphasique ;
une conduite pour relier au moins ladite buse à l'extrémité inférieure de ladite enceinte de stockage ;
des moyens pour mesurer la pression du liquide cryogénique à proximité de l'extrémité de raccordement de ladite conduite à ladite enceinte de stockage ;
des moyens associés à ladite enceinte de stockage pour réguler ladite pression à une valeur prédéterminée correspondant à un sous-refroidissement, et
des moyens de réglage du débit de liquide alimentant ladite buse.
2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite pression prédéterminée est comprise entre 1,5 et 3 bars relatifs.
3. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite enceinte de traitement est un tunnel à convection cryogénique comprenant un
convoyeur sans fin pour le déplacement des objets entre une extrémité d'entrée et
une extrémité de sortie et au moins une rampe munie d'une pluralité de buses d'injection
dudit liquide cryogénique dans ledit tunnel.
4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdits moyens de réglage du débit de liquide alimentant la ou lesdites rampes comprennent
une première vanne à commande par tout ou rien présentant un débit D1 en position ouverte et une deuxième vanne à commande par tout ou rien montée en parallèle
avec ladite première vanne et présentant un débit D2 très inférieur au débit D1.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de réglage comprennent en outre des moyens pour mesurer la température
à l'intérieur dudit tunnel, des moyens pour comparer la température mesurée à un premier
seuil égal à T+T1, T étant la température de consigne pour le tunnel et T1 une température positive très inférieure à |T| et pour commander la fermeture de
la première vanne si la température mesurée devient inférieure à T+T1 et des moyens pour comparer la température mesurée à un deuxième seuil égal à T-T2, T2 étant une température positive inférieure à T1, et pour commander la fermeture de la deuxième vanne lorsque la température mesurée
devient inférieure au deuxième seuil.
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens pour alimenter la ou lesdites rampes avec un faible
débit de fluide cryogénique à l'état gazeux lorsque lesdites deux vannes sont fermées.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ledit liquide cryogénique est de l'azote.
8. Procédé de traitement d'un objet à l'aide d'un liquide cryogénique comprenant les
étapes suivantes :
on dispose ledit objet à l'intérieur d'une enceinte de traitement,
on injecte ledit liquide cryogénique dans ladite enceinte à l'aide d'au moins une buse,
on alimente ladite buse à partir d'une enceinte de stockage contenant ledit fluide cryogénique à l'état biphasique,
on maintient ledit liquide cryogénique alimentant ladite buse à une pression sensiblement constante correspondant à un état sous- refroidi dudit liquide.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique est de l'azote.