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CA 02812613 2013-03-25
WO 2012/080600 PCT/FR2011/052444
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Méthode de gestion de l'alimentation en liquide cryogénique d'un camion
de transport de produits thermosensibles fonctionnant en injection
indirecte
La présente invention concerne le domaine du transport frigorifique de
produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les produits
alimentaires, en camions frigorifiques.
Le transport frigorifique est un maillon incontournable de la chaine du
froid on le sait, et la fiabilité de ce maillon repose sur la qualité de
refroidissement que peut offrir le système de production de froid embarqué sur
le camion et ceci pendant toutes les étapes intervenant dans ce maillon,
depuis
le chargement des produits jusqu'à leur livraison à la destination finale.
A titre illustratif, il est donc impératif que les installations frigorifiques
des camions soient capables de maintenir, dans une ou certaines des
chambres isolées du camion, une température adéquate, typiquement
comprise entre -10 et -25 C pour les produits surgelés, et typiquement
comprise entre 0 et 12 C pour les produits frais, ceci pendant toutes les
étapes
subies.
Les groupes de production de froid les plus répandus aujourd'hui dans
le transport frigorifique par camion sont des groupes frigorifiques dont le
fonctionnement est basé sur la technologie du cycle à compression de vapeur.
Ces groupes frigorifiques utilisent un fluide frigorigène qui, par un cycle de
compression/détente, génère des frigories qui sont envoyées dans la chambre
par des ventilateurs. Un moteur thermique utilisant du carburant permet
d'apporter l'énergie nécessaire pour la mise en route du compresseur du
système. Ces groupes de production de froid très couramment employés
présentent néanmoins les inconvénients suivants:
1) la
présence de pièces en mouvement conduit à des pannes
fréquentes; ce qui réduit la rentabilité du système
2) ils génèrent des nuisances sonores non négligeables
3)
ils utilisent des combustibles fossiles et par conséquent, émettent
des quantités importantes de CO2.
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Mais de nouvelles techniques plus respectueuses de l'environnement
sont apparues sur le marché ; il s'agit de procédés utilisant des liquides
cryogéniques comme source de fluide réfrigérant. Ainsi, des sociétés
commercialisent le procédé dit à injection directe (on dit aussi CTD dans
cette industrie) dans lequel un liquide cryogénique tel l'azote liquide est
pulvérisé directement dans la ou les chambres à refroidir. Ce procédé simple,
génère cependant un risque d'anoxie pour le conducteur lors du chargement
ou du déchargement des chambres car l'azote est injecté directement dans les
chambres et réduit par conséquent la concentration en oxygène de
l'atmosphère. La gestion de la sécurité requière alors des barrières physique
et
logique complexes, mais qui peuvent s'avérer néanmoins de faible fiabilité.
D'autres acteurs de ce domaine proposent un autre procédé dit à
injection indirecte (on dit aussi CTI dans cette industrie) qui met en
oeuvre
dans le camion (dans l'espace de stockage des produits) un ou plusieurs
échangeur(s) thermiques, dans lesquels circule un fluide cryogénique tel
l'azote liquide, l'enceinte étant par ailleurs munie d'un système de
circulation
d'air (ventilateurs) mettant en contact cet air avec les parois froides de
l'échangeur, ce qui permet ainsi de refroidir l'air interne à l'espace de
stockage
des produits.
L'azote liquide introduit dans les échangeurs libère ainsi des frigories
en passant à l'état gazeux puis s'échappe à l'extérieur du camion. Dans ce
procédé, l'azote liquide n'est ainsi jamais injecté directement dans les
chambres ; la chambre reste remplie d'air pendant toute l'opération, le risque
d'anoxie est donc considérablement réduit voire inexistant théoriquement (sous
réserve de fuites).
Cependant, l'utilisation de ce procédé, bien qu'étant plus sécurisant que
le précédent se révèle plus complexe à mettre en oeuvre et peut nécessiter
généralement des consommations d'azote plus élevées pour atteindre des
performances techniques équivalentes.
A l'heure actuelle, dans les procédés existant d'injection indirecte,
l'admission de la quantité d'azote nécessaire à l'abaissement de la
température
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de la chambre et au maintien de cette température dans le temps est gérée par
des vannes dites tout ou rien (TOR dans ce qui suit), c'est à dire qui
sont
soit 100% ouvertes, soit 100% fermées, tant à l'entrée vers le camion (pour
être plus précis en amont de la chambre froide de stockage des produits, la
vanne TOR se trouve en dehors de cette chambre, en dehors du camion) qu'en
sortie de gaz du camion (en aval de la chambre froide de stockage des
produits). La consommation d'azote du procédé est donc directement liée au
débit d'azote capable de passer dans les échangeurs et dans le circuit
d'alimentation (capacité qui n'est donc pas un paramètre ajustable) et à la
durée d'ouverture des vannes.
Or on l'a vu plus haut le procédé CTI est un procédé complexe, dont
l'efficacité dépend des échanges thermiques organisés avec l'air ambiant
interne à l'enceinte. L'utilisation de vannes TOR ne contribue pas à permettre
l'optimisation des phénomènes.
Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une
nouvelle gestion de l'alimentation en cryogène d'un tel procédé d'injection
indirecte, permettant notamment d'optimiser la quantité de cryogène (par
exemple d'azote liquide) nécessaire à l'abaissement de la température de l'air
interne aux chambres en deçà d'une consigne requise, et au maintien de ces
conditions durant les différentes phases requises du transport.
Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention
propose la mise en oeuvre, en sortie de circuit (en aval du ou des échangeurs)
d'une vanne analogique, normalement ouverte, qui autorise l'ouverture, la
fermeture et la régulation de la quantité de fluide alimentant les échangeurs
(vanne proportionnelle, électrovanne, voire Régulateur de Débit Massique
(RDM) même si les RDM représentent des dispositifs coûteux....).
Mais détaillons tout d'abord dans ce qui suit le fonctionnement actuel de
tels transports frigorifiques utilisant une injection indirecte (CTI), et
notamment
le fonctionnement des vannes TOR qui actuellement sont présentes à l'entrée
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dans le circuit (en amont des échangeurs) et à la sortie du circuit (en aval
des
échangeurs), ceci afin de mieux en comprendre les inconvénients.
La description suivante sera faite en liaison avec la figure 1 ci-après
annexée, qui est une représentation schématique partielle d'une telle
installation CTI conforme à la pratique actuelle (art antérieur).
Comme mentionné ci-dessus, la régulation de la quantité de cryogène,
par exemple d'azote liquide, alimentant un tel procédé CTI (chambre 20 interne
au camion, équipée d'échangeurs 3) se fait aujourd'hui à l'aide d'au moins
deux vannes tout ou rien (TOR) 1 et 6, une en entrée et une en sortie, le
procédé comprend alors au moins les éléments suivants, vus dans l'ordre
suivant :
- un réservoir d'azote liquide (non représenté sur la figure 1),
- une vanne TOR 1 en entrée, normalement fermée, qui autorise
l'alimentation en cryogène, par exemple en azote, du circuit ;
- un moyen de répartition de l'azote liquide (par exemple de type
clarinette, 2 sur la figure),
- des évaporateurs 3 (ou échangeurs thermiques) internes au
camion,
- une clarinette 4 de collecte de l'azote gazeux sortant des
échangeurs,
- un capteur de pression 5,
- une vanne TOR 6 en sortie, normalement ouverte,
- une canalisation de diamètre donné qui relie ces éléments.
Dans la chambre 20 on trouve de plus :
- des systèmes de ventilations (non représentés sur la figure pour
des raisons de clarté mais on les visualisera mieux dans le cadre de la figure
2
annexée) positionnés au niveau des échangeurs dont les débits sont régulés,
permettant d'intensifier les échanges thermiques entre l'air ambiant de la
chambre et les échangeurs (en aspirant l'air au travers des échangeurs et en
le
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forçant à être en contact avec les échangeurs) et d'homogénéiser la
température de l'air interne à la chambre.
Une sonde de température (Ti) gère l'ouverture et la fermeture de la
vanne d'entrée TOR 1; elle est située par exemple en entrée du parcours de
5 l'air
dans les échangeurs et mesure la température de l'air de la chambre avant
son refroidissement au sein des échangeurs.
Pour chaque chambre supplémentaire, on ajoute un nouveau circuit
d'alimentation comprenant par exemple une vanne TOR en entrée
normalement fermée, des échangeurs thermiques, une vanne TOR de sortie
normalement ouverte etc.... (un exemple de situation à deux chambres et de
position des sondes de température est illustré grâce à la figure 2 annexée).
La réfrigération dans le mode TOR antérieur se déroule typiquement en
deux phases :
1- Au démarrage ou après une ouverture de porte, on adopte un mode
de descente rapide en température.
2- Une fois la température de consigne atteinte (sonde Ti dans la
chambre), on adopte un mode de contrôle/régulation qui permet de maintenir la
température de la chambre à la valeur de la consigne.
Le fonctionnement du procédé CTI en ce mode TOR est typiquement le
suivant : lorsque la température Ti mesurée est supérieure à la température de
consigne la vanne d'entrée 1 s'ouvre (la vanne de sortie 6 étant par défaut
déjà ouverte) permettant ainsi l'alimentation des échangeurs en cryogène.
L'azote liquide se transformant en gaz libère des frigories qui sont absorbées
par l'air en contact avec ces échangeurs. Les ventilateurs récupèrent cet air
refroidi pour le faire circuler dans la chambre. L'azote gazeux est ensuite
rejeté
à l'extérieur de la chambre dans l'atmosphère environnante. Lorsque la
température Ti mesurée atteint la température de consigne, la vanne d'entrée
1 se ferme, arrêtant ainsi l'alimentation des échangeurs en cryogène et donc
le
refroidissement de l'air interne à la chambre. La réduction de la température
de
la chambre et son maintien sont obtenus par des cycles d'ouverture et de
fermeture de la vanne 1. La fréquence et la durée d'ouverture de la vanne 1
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seront plus élevées lors de la phase de descente rapide que lors de la phase
de contrôle/régulation. Lorsque la vanne 1 s'ouvre, quelle que soit la phase
considérée, le débit de cryogène introduit dans les échangeurs thermiques
dépendra uniquement de la pression d'azote du réservoir et des pertes de
charge des différents composants de l'installation. Par conséquent, ce débit
de
cryogène est lié à la conception du système et est, pour une installation
donnée, identique à chaque ouverture de vanne et ceci quelle que soit la
phase du procédé.
En d'autres termes, le débit d'azote n'étant pas ajustable, la quantité
d'azote n'est pas optimisée ; ce qui entraîne une surconsommation d'azote.
Ce flux discontinu d'azote et le temps de réaction d'ouverture et de
fermeture de la vanne conduisent également à une amplitude élevée de la
température de l'air de la chambre ; ce qui n'est pas satisfaisant.
De plus, lorsque la vanne d'entrée 1 est fermée, l'azote qui se trouve en
amont de cette vanne, se réchauffe et conduit à une augmentation de la
pression du réservoir. Lorsque la vanne d'entrée s'ouvre de nouveau, une
partie de l'azote va être utilisé pour refroidir la canalisation
d'alimentation
d'azote ; ce qui réduit le rendement thermique des évaporateurs.
D'autre part, la pression élevée de l'azote dans le réservoir va
provoquer à chaque cycle d'ouverture et de fermeture de la vanne une
fluctuation importante de la pression de l'azote à l'intérieur de la
canalisation.
Or, cette fluctuation présente un inconvénient majeur en termes de
sécurité et plus particulièrement au niveau de la détection de fuites d'azote
dans la chambre. Comme déjà mentionné, dans ce procédé CTI, l'azote n'est
pas injecté dans les chambres mais est véhiculé dans des canalisations
courant de la source d'azote liquide aux évaporateurs et des évaporateurs à
l'échappement vers l'extérieur; les évaporateurs et une partie de ces
canalisations se trouvant à l'intérieur des chambres, le risque d'anoxie est
alors lié uniquement à l'apparition d'une fuite d'azote dans la chambre
provenant par exemple soit d'une rupture franche, soit d'une rupture partielle
de ces canalisations, soit encore d'un raccord ou d'une soudure fuyards.
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L'apparition d'une fuite est aujourd'hui détectée par une chute de la
pression (mesurée par exemple à l'aide du capteur de pression 5 placé en aval
des échangeurs) qui entraîne automatiquement l'arrêt du procédé en fermant la
vanne d'entrée 1. Cependant, du fait que la pression de l'azote gazeux fluctue
du fait de l'utilisation d'une vanne d'entrée de type TOR, et pour éviter
d'arrêter
le système inopinément, de façon intempestive, injustifiée, la détection de la
fuite par une chute de la pression ne se fait couramment qu'a partir d'une
certaine diminution de la pression. On le voit donc, l'utilisation de vannes
TOR
implique une variation de la pression telle que seules les fuites d'un certain
débit pourront être détectées ; les fuites d'un débit inférieur ne pourront
pas
être détectées alors qu'elles peuvent également entraîner une réduction de la
teneur en oxygène dans la chambre et conduire à un risque d'anoxie. Dans le
procédé CTI en mode TOR, la détection de fuites est donc peu efficace, peu
réactive et peu précise.
Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une
nouvelle gestion de l'alimentation en cryogène d'un tel procédé d'injection
indirecte, permettant notamment d'apporter une solution aux inconvénients de
l'art antérieur décrits ci-dessus, et notamment de permettre une détection des
fuites de gaz intervenant dès l'apparition de niveaux les plus faibles de
fuites.
L'invention concerne alors une méthode de gestion de l'alimentation en
liquide cryogénique d'un camion de transport de produits thermosensible,
camion mettant en oeuvre un procédé implémentant ledit liquide cryogénique
pour transférer des frigories aux produits, procédé du type dit à injection
indirecte où le liquide est envoyé dans un système d'échangeur thermique
situé à l'intérieur du camion, où il s'évapore, le transfert de froid aux
produits
passant par un échange entre l'atmosphère environnant les produits et les
parois froides du système d'échangeur thermique, se caractérisant en ce que
le système d'échangeur est alimenté en liquide cryogénique par la mise en
oeuvre des mesures suivantes :
- on dispose, en amont du système d'échangeur, d'une vanne tout ou
rien amont, normalement fermée ;
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- on dispose, en aval du système d'échangeur, d'une vanne analogique
proportionnelle, normalement ouverte ;
- on dispose, en aval de la vanne analogique, d'une vanne tout ou rien
aval, normalement ouverte.
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 représentation schématique partielle d'une
installation CTI conforme à la pratique actuelle (art antérieur).
- la figure 2 est une représentation schématique de la caisse
interne à un camion de transport selon l'art antérieur, comportant ici deux
chambres de stockage de produits, et permettant notamment de mieux
visualiser le fonctionnement des échangeurs et la position des sondes de
température Ti.
- la figure 3 est une représentation schématique partielle d'une
installation CTI conforme à la présente invention.
On a déjà décrit en détail ci-dessus le mode de la figure 1, pour
expliquer le fonctionnement et les inconvénients des modes de fonctionnement
actuels du CTI à bases de vannes TOR en entrée et en sortie, on n'y reviendra
donc pas ici.
La figure 2 permet quant à elle de mieux visualiser le détail d'un
exemple de caisse interne à un camion de transport (en vue de coté),
comportant ici deux chambres de stockage de produits (par exemple une
chambre pour des produits frais et une autre chambre pour des produits
congelés), et permettant notamment de mieux visualiser le fonctionnement des
échangeurs et la position des sondes de température Ti pour le mode
exemplifié ici.
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Pour chaque chambre on dispose en amont d'une vanne TOR en entrée,
normalement fermée ( NF ), chaque chambre est munie d'échangeurs
thermiques (verticaux pour la chambre 1, horizontaux en haut de caisse pour la
chambre 2), où circule le cryogène en provenance du réservoir situé sous le
camion, les flux de gaz obtenus en sortie de chaque chambre sont envoyés
vers une canalisation de rassemblement, munie ici d'une unique vanne TOR de
sortie normalement ouverte ( NO ).
Et on visualise bien ici un mode de réalisation où dans chaque chambre
on dispose d'une sonde de température (Ti) qui gère l'ouverture et la
fermeture de chaque vanne d'entrée TOR; elle est située :
- pour la chambre 1 en entrée du parcours de l'air dans les échangeurs
(les ventilateurs 21 étant situés de l'autre coté des échangeurs et aspirant
vers
eux l'air au travers des échangeurs), la sonde mesurant donc la température
de l'air de la chambre avant son refroidissement au sein des échangeurs ;
- pour la chambre 2 ici encore en entrée du parcours de l'air dans les
échangeurs considérés i.e. sensiblement au niveau des ventilateurs 21 qui ici
poussent l'air à l'intérieur des échangeurs.
On reconnaît sur la figure 3, qui illustre, elle, en vue partielle un mode
de réalisation conforme à l'invention, les éléments suivants, vus dans l'ordre
suivant :
- un réservoir d'azote liquide (non représenté sur la figure 3),
- une vanne TOR 1 en entrée, normalement fermée, qui autorise
l'alimentation en cryogène, par exemple en azote, du système d'échangeur 3
(constitué pour ce mode de réalisation de plusieurs échangeurs verticaux en
parallèle, mais ceci n'est qu'une des nombreuses configurations d'échangeurs
pratiquées couramment dans cette industrie) ;
- un moyen de répartition de l'azote liquide (par exemple de type
clarinette, 2 sur la figure),
- les
évaporateurs 3 (ou échangeurs thermiques) internes au
camion,
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- une clarinette 4 de collecte de l'azote gazeux sortant des
échangeurs,
- un capteur de pression 5,
- une vanne analogique proportionnelle 10, normalement ouverte,
5 qui
autorise l'ouverture, la fermeture et la régulation de l'alimentation des
échangeurs 3;
- une vanne TOR 11 en sortie (en aval de la vanne
proportionnelle), normalement ouverte,
- une canalisation de diamètre donné qui relie ces éléments.
On ne redétaillera pas ici les systèmes de ventilation positionnés au
niveau des échangeurs ainsi que la présence de la sonde de température (Ti)
apte à mesurer la température de l'air interne à la chambre de stockage des
produits.
Selon l'un des modes de mise en oeuvre de la présente invention, la
gestion de l'alimentation en cryogène des échangeurs comporte ici aussi deux
phases :
1- un mode de descente rapide en température, typiquement au
démarrage ou après une ouverture de porte,
2- un mode de contrôle/régulation : une fois la température de consigne
atteinte (sonde Ti dans la chambre), mode qui permet de maintenir la
température de la chambre à la valeur de la consigne.
La gestion de l'alimentation est basée sur le pourcentage d'ouverture
de la vanne proportionnelle 10, en fonction de la température de l'air de la
chambre (Ti) et de la température de consigne recherchée (Tconsigne).
Lors de la phase de descente rapide en température, la température
mesurée (Ti) est nettement supérieure à la consigne (Tconsigne), on ordonne
alors à la vanne proportionnelle 10 de s'ouvrir (pourcentage d'ouverture
proche
de 100%), les évaporateurs sont alors alimentés en azote avec un débit
maximal et libère des frigories qui sont absorbées par l'air de la chambre.
Puis,
au fur et à mesure que Ti s'approche de Tconsigne, on ordonne à la vanne
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proportionnelle de se fermer, petit à petit, contrôlant ainsi la quantité
d'azote
liquide introduit dans les évaporateurs et donc la quantité de frigories.
Puis, en phase de contrôle/régulation, lorsque Ti a atteint la Tconsigne,
le pourcentage de la vanne proportionnelle s'ajuste de façon à maintenir Ti à
la valeur souhaitée.
Sans qu'il soit nécessaire de détailler plus avant, on utilise ici des
moyens d'acquisition et de traitement de données (par exemple un
automate...), pour acquérir toutes les données nécessaires (et notamment les
données de pression, de température interne à la chambre etc...) et pour
retroagir en donnant des ordres au système, notamment pour fermer telle ou
telle vanne, ou pour faire varier le taux d'ouverture de la vanne 10.
On contrôle donc la quantité d'azote liquide introduit dans les
évaporateurs en fonction de la température interne à la chambre ce qui permet
d'optimiser la consommation d'azote du procédé CTI.
Ce mode de régulation optimisée reste simple à mettre en oeuvre, peu
coûteux, peu volumineux (donc facile à intégrer à une installation existante)
tout en garantissant les performances thermiques requises pour garantir la
chaîne du froid.
La régulation présentée ici présente par ailleurs les avantages suivants :
- elle permet de détecter des fuites plus petites et donc d'assurer un
meilleur niveau de sécurité ;
- elle permet d'accroître la flexibilité du procédé et plus
particulièrement
celle de la phase de descente rapide.
Détaillons dans ce qui suit les raisons de tels avantages.
- En effet, le fonctionnement de cette régulation étant basé sur le
pourcentage d'ouverture de la vanne 10, le flux d'azote dans le circuit
d'alimentation des évaporateurs est quasi continu, et par conséquent, la
pression dans le circuit est beaucoup plus stable (par rapport à ce que nous
avions signalé plus haut dans la description de l'art antérieur). Ainsi, la
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détection d'une fuite par une chute de pression (comme expliqué
précédemment) pourra se faire pour une chute de pression bien plus faible que
dans le mode de régulation TOR de l'art antérieur, ce qui signifie que des
fuites
de débits plus faibles pourront être décelées. Ce mode de régulation avec une
vanne proportionnelle permet donc de couvrir une plage de débits de fuite
beaucoup plus large que dans le mode de régulation TOR antérieur.
- D'autre part, lors de la phase de descente rapide, en jouant sur le
pourcentage d'ouverture de la vanne proportionnelle, on peut contrôler la
durée de cette phase de descente rapide : à titre illustratif, après une
ouverture de porte, on peut utiliser une ouverture totale de la vanne
proportionnelle 10, permettant une descente très rapide en température, tandis
que la mise en oeuvre d'un pourcentage d'ouverture de la vanne
proportionnelle élevé mais inférieur à 100% permettra d'atteindre la
température de consigne en un temps certes plus long mais avec une
consommation d'azote optimisée, permettant en résumé de s'adapter à toutes
les situations d'utilisateur.
Les tests de fuites d'une installation telle que celle de la figure 3
utilisent les deux vannes TOR 1 et 11, selon des procédures de détection par
ailleurs classiques pour l'homme du métier, où l'on met en pression la portion
d'installation entre les deux vannes TOR, et où l'on observe la chute de
pression éventuelle se produisant, ceci selon des protocoles qui peuvent
varier, tels que dirigés par le cerveau (automate) régissant le contrôle de
procédé de l'installation, par exemple (à titre purement illustratif) :
- l'enfermement d'une certaine pression P entre les deux TOR à l'instant
to, et la mesure (capteur 5) de la pression P' à l'instant to + At ;
- l'application pour une installation donnée, de deux protocoles :
--> l'enfermement d'une certaine pression P entre les deux TOR
à l'instant to, et la mesure (capteur 5) de la pression P' à l'instant to + At
, At =
1 minute, le test étant pratiqué automatiquement toutes les 10 minutes ;
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-- > l'enfermement d'une certaine pression P entre les deux TOR
à l'instant to, et la mesure (capteur 5) de la pression P' à l'instant to + At
, At =
minutes, le test étant pratiqué automatiquement toutes les 24 heures.
etc...de nombreux autres protocoles possibles pourraient être cités.
5
L'invention recommande donc la mise en oeuvre, en aval du système
d'échangeur, d'une vanne analogique proportionnelle, normalement ouverte.
Comme il apparaîtra clairement à l'homme du métier, on pourrait
également envisager d'utiliser, en lieu et place de cette vanne
proportionnelle
10 10, une vanne TOR intelligente , c'est-à-dire par exemple équipée
soit d'une
régulation PID, soit d'un orifice calibré. Mais ces solutions très simples et
peu
coûteuses ne sont pas aussi efficaces qu'une vanne proportionnelle. En effet,
une régulation P ID sur une vanne TOR permettra d'optimiser la fréquence
d'ouverture et de fermeture de la vanne mais le débit de cryogène délivré
restera identique pour chaque ouverture, on ne pourra pas le faire varier.
L'orifice calibré, lui, permettra de limiter le débit de cryogène délivré,
mais là encore il ne permettra pas de le faire varier, il ne permettra aucune
optimisation.
