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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-
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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
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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
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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
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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
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'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-
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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
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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
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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
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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,
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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
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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-
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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
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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
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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.
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