<Desc/Clms Page number 1>
Congélateur cryogénique à flux parallèles,
La présente invention concerne un appareil pour la congélation d'articles au moyen de liquides cryogéniques et, plus particulièrement, un congélateur à tunnel du type à pul- vérisation, spécialement conçu pour la congélation ultra-rapide de produits alimentaires.
Il est connu, selon la technique antérieure, d'utiliser des liquides cryogéniques, tels que acide carbonique liquide, azote liquide, air liquide et autres réfrigérants ayant des points d'ébullition normaux se situant sensiblement au-dessous de -45 C, pour congeler des denrées alimentaires qui ne peuvent pas être congelées de façon satisfaisante par des systèmes de réfrigération dits "mécaniques" utilisant des réfrigérant à point d'ébullition relativement élevé, tels que saun.ure, ammo-
<Desc/Clms Page number 2>
niaque, fréon et substances analogues.
Par exemple, des denrées alimentaires ayant fortes teneurs en eau, cornue les tomates èt les citrons, ne penvent pas être congelées de façon satisfaisante avec des systèmes mécani- ques, en raison du fait que les vitesses de congélatio relati- vement lentes produisent une croissance de cristaux de glace, qui rompent les délicates parois cellulaires et ont pe n résul- tat un affaissement du fruit lors du dégel de celui-ci, Avec les liquides cryogéniques, on peut cependant obtenir des vites- ses de congélation qui sont assez élevées pour que les produits à haute teneur en eau puissent être congelés sous une forme sub- stantiellement amorphe , grâce à quoi, il ne se produit que peu . ou pas d'affaissement lors de leur dégel.
En outre, les systèmes de congélation cryogéniques causent considérablement moins de déshydratation et ils exigent un investissement en capital très notablement moindre par unité de capacité de congélation. De plus, ils sont moins sujets à des dérangements ou pannes mécaniques, étant dorme que les congélateurs cryogéniques n'exigent pas de compresseurs;, condenseurs ou évaporateurs compliqués.
Il est connu également, d'après. la technique antérieure, que la vitesse de transfert de chaleur entre un produit solide et un réfrigérant liquide bouillant est plus grande que celle entre le même produit et un réfrigérant'gazeux. C'est pourquoi, il est préférable en général d'avoir un contact direct entre le liquide cryogénique et le produit, afin de réaliser une efficacité maxi- male de la chaleur latente du réfrigérant. On a constaté, en outre, que le contact par pulvérisation est supérieur à l'immersion pour la plupart des produits alimentaires, en raison du fait que l'im- mersion dans un liquide cryogénique produit un film ou enveloppe gazeux autour du produit qui agit comme une barrière contre la
<Desc/Clms Page number 3>
continuation du contact du liquide avec le produit.
Au contraire, avec une pulvérisation d'une vitesse relativement élevée, les gouttelettes de liquide pénètrent continuellement dans le film gazeux et déterminent de ce fait de plus grandes vitesses de transfert de chaleur.
En plus de l'élévation à un maximum des vitesses de transfert de chaleur entre le liquide cryogénique et le produit, il est évident que la chaleur sensible présente dans le gaz ex- trêmement froid qui résulte de la vaporisation du liquide cryo- génique doit être efficacement transférée au produit, avant que le gaz ne soit dispersé dans un type quelconque de circuit ouvert, dans lequel le gaz réfrigérant n'est pas recyclé, ou dans une boucle ou circuit fermé, l'amenant à un dispositif de liquéfac- tion à nouveau, pour un usage répété.
Cependant, diverses tentatives en vue de transférer la chaleur sensible du gaz froid au produit n'ont donné que des ef- ficiences thermiques relativement faibles, en raison d'un certain nombre de facteurs. Par exemple, certains types de circuits ont été basés sur un écoulement laminaire du gaz froid, en un échange de chaleur avec le produit. Mais un tel écoulement ou flux lami- naire produit des vitesses relativement basses de transfert de chaleur, de sorte qu'il faut alors des tunnels excessivement longs et des temps de contact extrêmement prolongés. D'autres pro- jets ont fait appel à une pluralité.de ventilateurs à flux axial espacés sur la longueur du tunnel, en vue de produire un flux turbulent très rapide du gaz froid, vers le produit, perpendi- culairement à celui-ci.
Bien que ces derniers projets aient substantiellement accru les efficiences thermiques, l'emploi de ventilateurs à flux axial exige des tunnels de grande section transversale, ce qui a pour conséquence des pertes thermiques
<Desc/Clms Page number 4>
accrues. En outre, le poids total de gaz,'dans la pluralité de schéma torotdes d'écoulement devient alors très grand, avec cette conséquence que d'importantes quantités d'énergie sont nécessaires pour assurer la circulation du gaz. De ce fait, des sommes très notables de chaleur indésirable sont ajoutées au système.
Un fait plus important encore est que les régions à écoulement de gaz très rapide sont tout à fait localisées et il en résulte que le produit n'est pas uniformément refroidi, c'est-à-dire que le produit se trouvant au centre de la cour- roie transporteuse est refroidi et congelé à une plus basse température que le produit situé près des bords de la courroie, lequel n'est pas congelé du tout dans des cas extrêmes.
Enfin, de tels systèmes permettent à des quantités relativement grandes de gaz froid de sortir par le côté de la sortie des produits du tunnel, tout en laissant entrer dans le tunnel de l'air ambiant chaud et humide. Il est évident que cet air chaud diminue substantiellement l'efficacité thermique du congélateur et cause également la formation de gel, ou de glace, dans le tunnel et, en particulier,,sur les ventilateurs ou les soufflantes, de sorte qu'il faut souvent arrêter l'instal- lation pour dégivrer ces organes.
La présente invention a pour but de réaliser un con- gélateur cryogénique qui ait une efficacité thermique considé- rablement accrue comportant un flux ou courant turbulent très rapide de gaz froid, en contact avec le produit, tout en évi- tant les inconvénients des congélateurs de la technique antérieure,
L'invention a-pour objet un congélateur cryogénique pour la congélation ultra-rapide de produits, congélateur carac- térisé par un tunnel horizontal allongé isolé, un convoyeur ayant
<Desc/Clms Page number 5>
au moins une branche s'étendant à l'intérieur du tunnel pour convoyer le produit à congeler., des moyens dans le tunnel en aval de l'entrée pour amener au contact du produit un liquide cryogénique,
de sorte que le produit soit congelé et tout le liquide vaporisé sous forme d'un gaz réfrigérant.
Suivant l'invention, des moyens sont prévus pour em- pêcher la perte de gaz froid et l'entrée d'air ambiant par le coté du tunnel par lequel sortent les produits,
L'invention s'étend également aux caractéristiques résultant de la description ci-après et des dessins joints ainsi qu'à leurs combinaisons possibles..
La description se rapporte à des exemples de réalisa- tion expliqués en liaison avec les dessins ci-joints dans les- quels : - la figure 1 A est une vue latérale en élévation, s'outrant en coupe l'extrémité du congélateur par laquelle entrent les produits , - la figure 1 B est une vue latérale en élévation, montrant en coupe l'extrémité du congélateur par laquelle sor- tent les produits, - la figure 2 est une vue en coupe, de dessus, de la partie médiane du tunnel, prise selon le plan désigné par la lient 2-2 sur la figure 1 A, - la figure 3 est une vue en coupe de l'extrémité entrée du tunnel, prise selon le plan désigné par la ligne 3-3 sur la figure lA, - la figure 4 est une vue en coupe du tunnel,
prise selon le plan désigné par la ligne 4 - 4 sur la figure 1 B.
En se référant tout d'abord aux figures 1 A et 1 B, on voit que le congélateur présente, d'une façon générale, la
<Desc/Clms Page number 6>
'forme d'un tunnel allongé 10, conté sur un bâti de support 12 d'une hauteur convenable quelconque. Comme le précisent les figures 3 et 4, le tunnel 10 est de section transversale rec- tangulaire et est constitué par un profilé en U inférieur 14 et une pluralité de profilas en 0 supérieurs 16, 18 et 20.
Chacun de ces profiles est, de préférence, composé de parois en feuille métallique intérieure et extérieure 22 et 24 renfer- mant une isolation thermique convenable 26 qui peut être, par exemple, du polyuréthane ou du polystyrène expansés. Etant donné que le congélateur est surtout conçu pour congeler des produits alimentaires destinés à la consommation humaine, les parois 22 et 24 sont constituées en acier inoxydable afin de satisfaire aux règlements sanitaires, mais on peut toutefois employer d'autres matériaux, tels. qu'aluminium ou fibre de verre, lorsqu'il ne s'agit pas de produits alimentaires.
Afin de minimiser les fuites de chaleur à travers les joints entre profilés, des garnitures d'étanchéité convenables,' telles que garnitures en caoutchouc mousse 28, sont prévues dans tous les joints.
Le produit à congeler se déplace dans le tunnel de gauche à droite, selon les figures 1 A et 1B, sur une courroie transporteuse ou convoyeuse 30 en acier inoxydable à mailles ouvertes, dont l'extrémité gauche s'enroule autour d'un rouleau à rotation libre 32. Le brin supérieur du convoyeur passe sur la face supérieure d'une série de supports en 0 inversés 34 (voir figure 4) qui sont amovibles pour faciliter le nettoyage pério- dique du tunnel. Après avoir franchi presque toute la longueur du tunnel,,les bords du brin supérie- d. onvoyeur passent sous des guides 36 à faible friction puis le orin supérieur s'élève sur une plaque de support 38 portant un thermocouple 39.
A l'ex-
<Desc/Clms Page number 7>
trémité droite du tunnel, le convoyeur passe autour d'un rouleau d'entraînement 40, entraîne par une unité à courroie et poulies 41, à partir d'un réducteur de vitesse 42 accouplé à un motour élec- trique à vitesse variable 44. Après le passage autour du rouleau 40, le brin inférieur du convoyeur circule sur la face horizontale intérieure 46 du profilé inférieur 14, puis passe sur un rouleau à rotation libre 48 avant de s'enrouler autour du rouleau d'extré- mité 32.
Comme le montrent les figures lA et 3, les rouleaux 48 et 32 sont supportés par des axes 48' et 32' convenablement sup- portés dans les parois latérales verticales d'un bac 50 ouvert en haut. Comme précisé plus loin, ce bac 50 fonctionne comme col- lecteur pour recueillir le gaz réfrigérant évacué de l'extrémité "entrée des produits du tunnel, après avoir passé avec échange de chaleur sur le produit.
Afin d'évacuer le gaz du collecteur 50, un tuyau d'échappement 51 relie le tond du collecteur avec l'entrée 'd'une soufflante à aspiration 52, qui force le gaz à passer à . travers une conduite d'échappement 54 jusqu'à un,point assez éloigné où le gaz peut être évacué par un orifice dans l'atmos- phère.
Dans la figure 1 B, le profilé 20 comporte une rampe de pulvérisation 56 qui possède plusieurs tuyères 58 pulvéri- sent, sur des zones du convoyeur se chevauchant légérement, un liquide cryogénique, tel que de l'azote liquide par exemple.
Immédiatement au-dessous des tuyères, le fond du profilé 14 est légèrement évidé de manière à constituer une auge plate 60 pour. recueillir le liquide en excédent, lequel est ramené par le tuyau 62 à la pompe (non représentée) fournissant le liqui- de à la rampe de tuyères 56.
Afin d'utiliser efficacement la chaleur sensible du
<Desc/Clms Page number 8>
gaz réfrigérant formé par la vaporation du liquide cryogénique au contact avec le produit dans la chambre de pulvérisation, il est prévu, conformément à la présente invention, une paire de zones de recyclage de gaz à grande vitesse, formées par l'agencement de cloisons 64 a et 64 b, attendant dans le sens longitudinal et divisant le tunnel en passages inférieurs 66 a, 66 b de contact gaz-produit alimentaire et en passages supérieurs 68a, 68b de recyclage de gaz.
Comme le montre clairement la fi- gure 4. les cloisons 64a et 64b sont maintenues dans leur posi- tion longitudinale par des chevilles 70 fixées aux parois laté- rales du profilé inférieur, tandis que les bords des cloisons sont serrés de façon amovible, entre les bords des profilés su- ' périeur et inférieur* Ainsi les cloisons peuvent aisément être enlevées, de manière à faciliter le nettoyage périodique du tunnel.
A l'extrémité de la cloison 64 b et situé de façon immédiatement adjacente à la chambre de pulvérisation, un pas- sage à inversion de flux est formé par une ailette 72 b et un déflecteur 74 b à 180 , qui sont de préférence fixés aux parois internes du profilé supérieur 18. A l'extrémité opposée du tun- nel, un deuxième passage à inversion de flux est formé à l'ex- trémité de la cloison 64 a par une ailette 72 a et un déflec- teur 74 b à 90 . En outre, il est prévu un volet de contrôle pivotant 76 pour permettre de varier l'allure du flux du gaz du côté entrée du produit dans le tunnel et, comme le montre la figure 3, la position dudit volet peut être variée par une commande 77 reliée à l'axe du volet par une liaison convenable 79.
Comme le montrent également les figures 1 A et 1 B, le flux à grande vitesse du gaz réfrigérant, à travers les zones de recyclage, est réalisé par une paire de soufflantes
<Desc/Clms Page number 9>
78 a et 78 b comportant des pales radiales 79 non incurvées, pra- tiquement non sujettes à l'accumulation de gel ou glace. Les soir-' flantes et leurs conduits d'évacuation respectifs 80a et 80b sont, de préférence, fixées à un recouvrement isolé 82, dont les cotés reposent sur les côtés du profilé inférieur 14, grâce à quoi tout l'ensemble des ôrganes de ventilation est entièrement amovible.
Ainsi que le montre clairement la figure 2, les souf - flantes comportent des axes de commande respectifs 84a et 84b passant à travers la paroi latérale du recouvrement 82 et ces axes portent des poulies 86a et 86b respectivement, lesquelles sont entraînées par les courroies 88a et 88b, entraînées elles- mêmes par les moteurs de commande 90a et 90b. Pour des raisons exposées.plus loin, la soufflante (ou ventilateur) 78a doit être entraînée à une vitesse plus grande que la soufflante 78b, ce qui peut être réalisé par des moteurs 90a et 90b à vitesses dif- férentes, ou par l'emploi de poulies de tailles différentes, comme le montre la figure 2.
Il convient de préciser enfin qu'une cloi- son verticale 92 est placée entre les soufflantes, de telle ma- nière que le bord inférieur de cette cloison se termine à 1. hauteur du plan des cloisons horizontales 64a et 64b.
Dans le fonctionnement du congélateur, le prod/it à congeler est placé sur le brin supérieur du convoyeur 30 à l'ex- trémité extrême gauche du congélateur et le produit traverse en- suite les chambres 66a et 66b des deux zones de recy:lage prévues en série. Ensuite, le produit passe au-dossous des rayères 58 qui pulvérisent sur lui un liquide cryogénique que l'on suppose être, dans la présente description, de l'azote liquide (AL) d'une tem- pérature de -196 C.
Après avoir quitté la zone de pulvérisation, le produit monte, sur la plaque 38, à un niveau situé au-dessus de celui de la partie horizontale du convoyeur, puis il glisse
<Desc/Clms Page number 10>
sur une plaque 94, fixée à la paroi terminale 96, vers le poste suivant de la ligne de traitement,lequel peut être, par exemple, une machine d'emballage.
Lorsque le produit sort du congélateur, il est, soit congelé à coeur, soit seulement congelé en surface, selon la vitesse de convoyeur qui a été choisie. En tout cas, le contact de l'azote liquide avec le produit relativement chaud a pour résultat une vaporisation du liquide, lorsque la chaleur latente de celui-ci est transférée au produit. Il en résulte qu'une cer- taine quantité d'azote gazeux (N2) extrêmement froid est engen- drée dans la chambre de pulvérisation et, pour un ensemble donné de paramètres opératoires cohstants, la quantité de gaz ainsi engendré demeure sensiblement constante.
Ainsi, les vi- tesses des soufflantes ou ventilateurs'78a et 78b peuvent être réglées de manière que le gaz engendré, représenté par la flé- che A, soit ajouté au flux à grande vitesse de gaz recyclé, représenté par la flèche B. Bien ehtendu, une certaine partie du gaz engendré dans la zone de pulvérisation s'écoule vers le côté sortie de produit du tunnel. Cependant, ce gaz extrê- moment froid ayant une densité qui est à peu près le double de celle de l'air ambiant plus chaud agit comme un liquide en ce sens qu'il tend à atteindre le plus bas ni-. veau possible.
De ce fait, le niveau du gaz, dans le coté sortie du tunnel, peut'être contrôlé par le réglage des vi- tesses des soufflantes, de telle manière que la pression hy- drostatique du gaz dense .1'empêche de se répandre par dessus le haut de la paroi terminale élevée 96, tout en maintenant dans le réservoir 98 un niveau supérieur au niveau de la cham- bre 66 b.
De cette façon, le gaz froid et dense forme une gar- niture d'étanchéité fluide du côté sortie de produit du tunnel,
<Desc/Clms Page number 11>
ce qui empêche l'air ambiant chaud d'entrer dans le tunnel,
En ce qui concerne le flux de gaz représenté par les- dites flèches A et B, le courant gazeux combiné s'écoule en échange thermique à contre-courant avec le produit, en passant par la chambre 66 b, vers l'entrée de la soufflante 78b. Celle- . ci fonctionne toutefois à volume constant et ne peut pas trai- ter la somme de sa propre évacuation recy lée, représentée par la flèche B, plus le gaz nouvellement engendré, représenté par la flèche A. Ainsi, une certaine quantité de gaz, égale à la quantité de gaz nouvellement engendré, s'écoule sous la cloi- son 92 vers l'entrée de la soufflante 78a, comme le montre la flèche C.
Cela est rendu possible par la capacité plus grande de la soufflante 78a, due à la plus grande vitesse de fonction- nement de celle-ci. D'autre part, du gaz recyclé provenant de la chambre 66 a, représenté par la flèche D, est également en- traîné dans l'entrée de la soufflante 78 a et la somme des deux courants gazeux est acheminée, par le passage 68a, vers le pas- sage à inversion formé par l'ailette 72a et le déflecteur 74a, A ce point, la lame de contrôle 76 est réglée de telle manière que le courant gazeux provenant du passage 68a se divise en une première composante, représent4e par la flèche D, qui retourne vers la soufflante, en échange thermique de même sens avec le produit, et en un courant d'évacuation, représenté par la flèche
E.
Bien entendu, la quantité de ce courant (flèche E) est sub- stantiellement égale au flux de complément représenté par la flèche C, lequel est égal, comme indiqué plus haut, à la quan- tité de gaz nouvellement engendré (flèche A).Le courant d'éva- cuation (flèche E) sort du côte entrée du produit dans le tunnel' et passe dans le collecteur 50, d'où la soufflante 52 fait passer le gaz par le conduit d'évacuation 54, vers un point assez éloigné
<Desc/Clms Page number 12>
de sortie dans l'atmosphère.
Toutefois, si'l'on emploie un liquide cryogénique tel que l'air liquide et s'il n'y a pas d'emploi ul- térieur pour le gaz d'évacuation, la soufflante 52 et le conduit 54 peuvent être éliminés, car leur seule fonction est d'empêcher une accumulation de gaz non biologique, tel que l'azote, au voi- sinage du tunnel,
De la description, donnée dans ce qui procède, d'une réalisation de l'invention, il ressort que des taux extrêmement élevés de transfert de chaleur sont rendus possibles, grâce au fait que des flux turbulents à grande vitesse peuvent être réa- lisés dans les chambres 66a et 66b.
En outre, le débit de gaz réfrigérant à travers les chambres 66a et 66b est substantiel- lament constant sur la largeur du convoyeur, étant donné que la chute de pression, à travers les passages à inversion, agit en tant que diffuseur hautement efficace et égalise le profil de vitesse du gaz. De ce fait, la totalité du produit, sur la lar- geur du convoyeur, est uniformément prérefroidie puis congelée à un même degré.
Un autre avantage de l'invention réside dans le con- trôle précis du flux de gaz qui est réalisé en variant le ré- glage du volet de contrôle 76. Cela signifie que la quantité¯ de gaz qui est évacuée (flèche E) peut être augmentée en dépla- çant le volet dans le sens des aiguilles d'une montre, à partir de la position représentée dans la figure, ou diminuée, en le déplaçant dans le sens -inverse.
Toutefois, étant donné que la vitesse avec-laquelle du gaz est engendré dans la chambre de pulvérisation est fixée pour des conditions opératoires constan- tes, une diminution de la quantité de gaz évacuée du côté en- trée du produit dans le tunnel a pour résultat uns accumulation influant sur le niveau de gaz dans le réservoir 98, tandis"qu 'in-
<Desc/Clms Page number 13>
versement une augmentation de la quantité de gaz évacuée du côté entrée abaisse le niveau du gaz dans le réservoir.
Sui- vant l'invention, il est prévu un thermocouple 39 pour détec- ter le niveau de gaz dans le réservoir et ce thermocouple trans- met un signal au dispositif de contrôle 77 pour que soit réglée la position du volet 76, de manière à maintenir un niveau pré- déterminé de gaz dans le réservoir, suffisant pour maintenir
EMI13.1
une étanché1aat1on fluide tfritage à la 80rtie du tunnel. Il en résulte que 1$air ambiant est empêcha d'entrer du coté sortie du tunnel et que le gaz réfrigérant froid est empêché de quitter le tunnel avant d'avoir passé en échange thermique avec le produit.
Bien qu'il soit évident que le congélateur de l'inven- , tion peut être prévu pour opérer avec des débits et profils de température pouvant largement être variés, les caractéristiques ci-après sont mentionnées à titre d'exemple d'une réalisation pratique de l'invention. On a constaté qu'un congélateur proto- type de 6,70 mètres de longueur et ayant une largeur de courroie du convoyeur de 406 mm fonctionne de manière très satisfaisante lorsqu'on fait marcher les soufflantes ou ventilateurs de recy- clage 78 a et 78b à raison de 14,74 m3/mn et 13,2 m3/mn respec- tivement.
Dans ces conditions,'le flux de gaz à travers les cham- bres 66a et 66b s'est révélé être d'une haute turbulence, sans avoir toutefois une vitesse suffisante pour, produire une nota- ble déshydratation du produit, comparativement aux congélateurs conventionnels "à courant de gaz". Pendant ces essais, la tempé- rature du gaz réfrigérant au point de mélange des,flux A et B était de l'ordre de -70 C, tandis que la température à l' aspi- ratlon de la soufflante 78b était de l'ordre de -58 C. D'autre part, la température du gaz réfrigérant, à l'aube 72a, était d'environ -20,5 C, tandis que la-,température, à l'aspiration
<Desc/Clms Page number 14>
de la soufflante 78a, était d'environ -16,1 C.
Ainsi la zone de recyclage adjacente à la chambre de pulvérisation fonction- nait avec un gradient de température de 12 C, tandis que la zone adjacente à l'entrée du produit fonctionnait avec un gradient de température de 4 C. Il en est résulté que le produit a été sous- confelé à -31,7 C en moins de cinq minutes.
Il est possible d'apporter de nombreuses modifications aux exemples décrits. Il est évident, par exemple, que l'on peut employer n'importe quel nombre de zones de recyclage et que les soufflantes ou ventilateurs peuvent être positionnés de manière à recycler le gaz dans la même direction dans les diverses' zones, au lieu des directions opposées montrées dans la réalisation ici présentée à titre d'exemple. La description qui précède a un ca- ractère simplement d'illustration et non limitatif des possibili- tés de l'invention.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
Parallel flow cryogenic freezer,
The present invention relates to an apparatus for freezing articles by means of cryogenic liquids and, more particularly, to a spray type tunnel freezer, specially designed for ultra-rapid freezing of food products.
It is known, according to the prior art, to use cryogenic liquids, such as liquid carbonic acid, liquid nitrogen, liquid air and other refrigerants having normal boiling points lying substantially below -45 C, to freeze. foodstuffs which cannot be frozen satisfactorily by so-called "mechanical" refrigeration systems using relatively high boiling point refrigerants, such as brine, ammo-
<Desc / Clms Page number 2>
niac, freon and similar substances.
For example, foods with high water contents, such as tomatoes and lemons, cannot be frozen satisfactorily with mechanical systems, due to the fact that the relatively slow freezing rates produce growth. ice crystals, which break up the delicate cell walls and barely result in sagging of the fruit when thawed. With cryogenic liquids, however, freezing rates can be obtained which are high enough to that products with a high water content can be frozen in a substantially amorphous form, whereby little occurs. or no sagging when they thaw.
In addition, cryogenic freezing systems cause considerably less dehydration and require significantly less capital investment per unit of freezing capacity. In addition, they are less prone to mechanical disturbances or breakdowns, since cryogenic freezers do not require compressors, condensers or complicated evaporators.
He is also known, according to. According to the prior art, the rate of heat transfer between a solid product and a boiling liquid refrigerant is greater than that between the same product and a gaseous refrigerant. Therefore, it is generally preferable to have direct contact between the cryogenic liquid and the product, in order to achieve maximum latent heat efficiency of the refrigerant. It has further been found that spray contact is superior to immersion for most food products, due to the fact that immersion in cryogenic liquid produces a gaseous film or envelope around the product which acts. as a barrier against
<Desc / Clms Page number 3>
continued contact of the liquid with the product.
On the contrary, with a relatively high velocity spray, the liquid droplets continuously penetrate the gas film and thereby determine higher heat transfer rates.
In addition to maximizing the heat transfer rates between the cryogenic liquid and the product, it is evident that the sensible heat present in the extremely cold gas which results from the vaporization of the cryogenic liquid must be efficiently transferred to the product, before the gas is dispersed in any type of open circuit, in which the refrigerant gas is not recycled, or in a closed loop or circuit, bringing it to a liquefaction device at new, for repeated use.
However, various attempts to transfer sensible heat from the cold gas to the product have resulted in relatively low thermal efficiencies, due to a number of factors. For example, certain types of circuits have been based on a laminar flow of cold gas, in an exchange of heat with the product. But such flow or laminar flow produces relatively low rates of heat transfer, so excessively long tunnels and extremely long contact times are required. Other projects have used a plurality of axial flow fans spaced along the length of the tunnel to produce a very rapid turbulent flow of cold gas towards the product perpendicular to it.
Although these latter projects have substantially increased thermal efficiencies, the use of axial flow fans requires large cross-section tunnels, resulting in thermal losses.
<Desc / Clms Page number 4>
increased. Further, the total weight of gas in the plurality of toroidal flow patterns then becomes very large, with the consequence that large amounts of energy are required to circulate the gas. As a result, very significant amounts of unwanted heat are added to the system.
Even more important fact is that the regions of very fast gas flow are quite localized and as a result the product is not uniformly cooled i.e. the product in the center of the The conveyor belt is cooled and frozen at a lower temperature than the product near the edges of the belt, which is not frozen at all in extreme cases.
Finally, such systems allow relatively large quantities of cold gas to exit through the product outlet side of the tunnel, while allowing warm and humid ambient air to enter the tunnel. It is obvious that this hot air substantially decreases the thermal efficiency of the freezer and also causes the formation of frost, or ice, in the tunnel and, in particular, on the fans or blowers, so it is often necessary stop the installation to defrost these components.
The object of the present invention is to provide a cryogenic freezer which has a considerably increased thermal efficiency comprising a very rapid flow or turbulent current of cold gas, in contact with the product, while avoiding the drawbacks of freezers. the prior art,
The invention relates to a cryogenic freezer for the ultra-rapid freezing of products, freezer characterized by an isolated elongated horizontal tunnel, a conveyor having
<Desc / Clms Page number 5>
at least one branch extending inside the tunnel for conveying the product to be frozen., means in the tunnel downstream of the inlet for bringing a cryogenic liquid into contact with the product,
so that the product is frozen and all the liquid vaporized as a refrigerant gas.
According to the invention, means are provided to prevent the loss of cold gas and the entry of ambient air through the side of the tunnel through which the products exit,
The invention also extends to the characteristics resulting from the following description and the accompanying drawings as well as to their possible combinations.
The description relates to exemplary embodiments explained in conjunction with the accompanying drawings, in which: - Figure 1A is a side elevational view, cutting out in section the end of the freezer through which enter the products, - Figure 1B is a side elevational view, showing in section the end of the freezer through which the products exit, - Figure 2 is a sectional view, from above, of the middle part of the tunnel , taken along the plane designated by line 2-2 in Figure 1A, - Figure 3 is a sectional view of the entrance end of the tunnel, taken along the plane designated by line 3-3 in Figure 1A , - Figure 4 is a sectional view of the tunnel,
taken along the plane designated by line 4 - 4 in Figure 1 B.
Referring firstly to Figures 1A and 1B, it can be seen that the freezer has, in general, the
<Desc / Clms Page number 6>
'form of an elongated tunnel 10, counted on a support frame 12 of any suitable height. As shown in Figures 3 and 4, the tunnel 10 has a rectangular cross section and consists of a lower U-section 14 and a plurality of upper O-sections 16, 18 and 20.
Each of these profiles is preferably composed of inner and outer foil walls 22 and 24 enclosing suitable thermal insulation 26 which may be, for example, polyurethane or expanded polystyrene. Since the freezer is mainly designed for freezing food products intended for human consumption, the walls 22 and 24 are made of stainless steel in order to comply with sanitary regulations, but other materials can however be used, such. than aluminum or fiberglass, when it is not a question of food products.
In order to minimize heat leakage through the joints between profiles, suitable gaskets, such as foam rubber gaskets 28, are provided in all joints.
The product to be frozen moves through the tunnel from left to right, according to Figures 1A and 1B, on a stainless steel open-mesh conveyor or conveyor belt 30, the left end of which is wound around a roller. free rotation 32. The upper run of the conveyor passes over the upper face of a series of inverted 0 supports 34 (see Figure 4) which are removable to facilitate periodic cleaning of the tunnel. After having passed almost the entire length of the tunnel, the edges of the upper strand- d. Onvoyeur pass under low friction guides 36 then the upper rope rises on a support plate 38 carrying a thermocouple 39.
At the ex-
<Desc / Clms Page number 7>
At the right end of the tunnel, the conveyor passes around a drive roller 40, driven by a belt and pulley unit 41, from a speed reducer 42 coupled to a variable speed electric motor 44. Afterwards the passage around the roller 40, the lower strand of the conveyor circulates on the interior horizontal face 46 of the lower section 14, then passes over a freely rotating roller 48 before being wound around the end roller 32.
As shown in Figures 1A and 3, the rollers 48 and 32 are supported by pins 48 'and 32' suitably supported in the vertical side walls of a trough 50 open at the top. As specified below, this tank 50 functions as a collector to collect the refrigerant gas discharged from the product inlet end of the tunnel, after having passed with heat exchange over the product.
In order to vent the gas from the manifold 50, an exhaust pipe 51 connects the manifold mow with the inlet of a suction blower 52, which forces the gas to pass through. through an exhaust line 54 to a sufficiently remote point where gas can be exhausted through an orifice into the atmosphere.
In FIG. 1B, the profile 20 comprises a spray bar 56 which has several nozzles 58 spraying, on slightly overlapping areas of the conveyor, a cryogenic liquid, such as liquid nitrogen for example.
Immediately below the nozzles, the bottom of the profile 14 is slightly hollowed out so as to constitute a flat trough 60 for. collect the excess liquid, which is returned by the pipe 62 to the pump (not shown) supplying the liquid to the nozzle rail 56.
In order to efficiently use the sensible heat of the
<Desc / Clms Page number 8>
refrigerant gas formed by the vaporization of the cryogenic liquid in contact with the product in the spray chamber, there is provided, in accordance with the present invention, a pair of high speed gas recycling zones, formed by the arrangement of partitions 64 a and 64 b, waiting in the longitudinal direction and dividing the tunnel into lower passages 66 a, 66 b of gas-food product contact and into upper passages 68a, 68b of gas recycling.
As clearly shown in figure 4, the partitions 64a and 64b are held in their longitudinal position by dowels 70 fixed to the side walls of the lower profile, while the edges of the partitions are removably clamped, between the edges of the upper and lower profiles * Thus the partitions can easily be removed, so as to facilitate periodic cleaning of the tunnel.
At the end of the partition 64b and located immediately adjacent to the spray chamber, a reverse flow passage is formed by a fin 72b and a deflector 74b to 180, which are preferably attached to the ends. internal walls of the upper section 18. At the opposite end of the tunnel, a second flow reversal passage is formed at the end of the partition 64a by a fin 72a and a deflector 74b to 90. In addition, a pivoting control flap 76 is provided to make it possible to vary the shape of the flow of gas from the product inlet side into the tunnel and, as shown in FIG. 3, the position of said flap can be varied by a control 77 connected to the axis of the shutter by a suitable connection 79.
As also shown in Figures 1A and 1B, the high speed flow of refrigerant gas, through the recycling zones, is achieved by a pair of blowers.
<Desc / Clms Page number 9>
78 a and 78 b having radial blades 79 not curved, substantially not subject to the accumulation of frost or ice. The flantes and their respective exhaust ducts 80a and 80b are preferably attached to an insulated cover 82, the sides of which rest on the sides of the lower profile 14, whereby the whole set of ventilation members. is fully removable.
As clearly shown in Figure 2, the blowers have respective control pins 84a and 84b passing through the side wall of the cover 82 and these pins carry pulleys 86a and 86b respectively, which are driven by the belts 88a and. 88b, themselves driven by control motors 90a and 90b. For reasons set out below, blower (or fan) 78a must be driven at a higher speed than blower 78b, which can be achieved by motors 90a and 90b at different speeds, or by using pulleys of different sizes, as shown in figure 2.
Finally, it should be specified that a vertical partition 92 is placed between the blowers, such that the lower edge of this partition ends at the height of the plane of the horizontal partitions 64a and 64b.
In the operation of the freezer, the product to be frozen is placed on the upper run of the conveyor 30 at the extreme left end of the freezer and the product then passes through the chambers 66a and 66b of the two recycling zones. planned in series. The product then passes over the stripes 58 which spray on it a cryogenic liquid which is assumed, in the present description, to be liquid nitrogen (LA) with a temperature of -196 C.
After leaving the spraying area, the product rises, on the plate 38, to a level located above that of the horizontal part of the conveyor, then it slides
<Desc / Clms Page number 10>
on a plate 94, fixed to the end wall 96, to the next station of the processing line, which may be, for example, a packaging machine.
When the product leaves the freezer, it is either deep frozen or only surface frozen, depending on the chosen conveyor speed. In any case, the contact of the liquid nitrogen with the relatively hot product results in vaporization of the liquid, when the latent heat thereof is transferred to the product. As a result, a certain quantity of extremely cold nitrogen gas (N2) is generated in the spray chamber and, for a given set of constant operating parameters, the quantity of gas thus generated remains substantially constant.
Thus, the speeds of the blowers or fans 78a and 78b can be adjusted so that the generated gas, shown by arrow A, is added to the high speed stream of recycle gas, shown by arrow B. Well As a result, some of the gas generated in the spray zone flows to the product outlet side of the tunnel. However, this extremely cold gas having a density which is about twice that of warmer ambient air acts like a liquid in that it tends to reach the lowest ni-. calf possible.
Therefore, the level of gas in the exit side of the tunnel can be controlled by adjusting the speeds of the blowers, so that the hydrostatic pressure of the dense gas prevents it from spreading through. above the top of the elevated end wall 96, while maintaining in the reservoir 98 a level higher than the level of the chamber 66 b.
In this way, the cold, dense gas forms a fluid seal on the product outlet side of the tunnel,
<Desc / Clms Page number 11>
which prevents hot ambient air from entering the tunnel,
With regard to the gas flow represented by said arrows A and B, the combined gas flow flows in heat exchange countercurrently with the product, passing through chamber 66 b, towards the inlet of the gas. blower 78b. That- . This, however, operates at constant volume and cannot process the sum of its own recycled discharge, represented by arrow B, plus the newly generated gas, represented by arrow A. Thus, a certain quantity of gas, equal to the quantity of newly generated gas flows under the partition 92 towards the inlet of the blower 78a, as shown by arrow C.
This is made possible by the greater capacity of the blower 78a, due to the higher speed of operation thereof. On the other hand, recycled gas coming from chamber 66a, represented by arrow D, is also drawn into the inlet of fan 78a and the sum of the two gas streams is conveyed, through passage 68a, to the reversal passage formed by the fin 72a and the deflector 74a. At this point the control blade 76 is adjusted such that the gas stream from the passage 68a divides into a first component, represented by the arrow D, which returns to the fan, in thermal exchange in the same direction with the product, and in a discharge current, represented by the arrow
E.
Of course, the quantity of this current (arrow E) is substantially equal to the complement flow represented by the arrow C, which is equal, as indicated above, to the quantity of newly generated gas (arrow A). The exhaust stream (arrow E) leaves the side where the product enters the tunnel 'and passes into the manifold 50, from where the blower 52 passes the gas through the exhaust duct 54, to a sufficient point. distant
<Desc / Clms Page number 12>
outlet to the atmosphere.
However, if a cryogenic liquid such as liquid air is employed and there is no further use for the exhaust gas, the blower 52 and the duct 54 can be eliminated. because their only function is to prevent an accumulation of non-biological gases, such as nitrogen, in the vicinity of the tunnel,
From the description, given in the following, of an embodiment of the invention, it appears that extremely high rates of heat transfer are made possible, owing to the fact that turbulent flows at high speed can be realized in rooms 66a and 66b.
Further, the flow of refrigerant gas through chambers 66a and 66b is substantially constant across the width of the conveyor, as the pressure drop, across the reversing passages, acts as a highly efficient diffuser and even out. the gas velocity profile. As a result, all of the product, over the width of the conveyor, is uniformly precooled and then frozen to the same degree.
Another advantage of the invention lies in the precise control of the gas flow which is achieved by varying the setting of the control flap 76. This means that the quantity ¯ of gas which is discharged (arrow E) can be adjusted. increased by moving the shutter clockwise from the position shown in the figure, or decreased by moving it counterclockwise.
However, since the rate at which gas is generated in the spray chamber is fixed for constant operating conditions, a decrease in the amount of gas discharged from the product entry side into the tunnel results in an accumulation influencing the level of gas in the reservoir 98, while "
<Desc / Clms Page number 13>
Pouring an increase in the amount of gas discharged from the inlet side lowers the level of gas in the tank.
According to the invention, a thermocouple 39 is provided for detecting the level of gas in the tank and this thermocouple transmits a signal to the control device 77 so that the position of the shutter 76 is adjusted, so as to maintain a pre-determined level of gas in the tank sufficient to maintain
EMI13.1
a fluid sealant at the end of the tunnel. As a result, 1 $ ambient air is prevented from entering the exit side of the tunnel and the cold refrigerant gas is prevented from leaving the tunnel before having passed in heat exchange with the product.
Although it is obvious that the freezer of the invention can be designed to operate with flow rates and temperature profiles which can be widely varied, the following characteristics are mentioned by way of example of a practical embodiment. of the invention. A prototype freezer 6.70 meters in length and having a conveyor belt width of 406 mm has been found to function very satisfactorily when the blowers or recirculation fans 78a and 78b are operated. at a rate of 14.74 m3 / min and 13.2 m3 / min respectively.
Under these conditions, the gas flow through chambers 66a and 66b has been found to be highly turbulent, but without sufficient velocity to produce significant dehydration of the product, as compared to conventional freezers. "gas current". During these tests, the temperature of the refrigerant gas at the mixing point of streams A and B was of the order of -70 ° C., while the temperature at the suction of blower 78b was of the order of. of -58 C. On the other hand, the temperature of the refrigerant gas at dawn 72a was about -20.5 C, while the temperature at the suction
<Desc / Clms Page number 14>
of blower 78a, was approximately -16.1 C.
Thus, the recycle zone adjacent to the spray chamber operated with a temperature gradient of 12 C, while the zone adjacent to the product inlet operated with a temperature gradient of 4 C. As a result, the Product was subconfelled to -31.7 C in less than five minutes.
Many modifications can be made to the examples described. It is obvious, for example, that any number of recirculation zones can be employed and the blowers or fans can be positioned to recycle gas in the same direction in the various zones, instead of opposite directions shown in the embodiment presented here by way of example. The foregoing description is merely illustrative and not limiting of the possibilities of the invention.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.