EP3190362A1

EP3190362A1 - Optimisation du dégivrage d'un échangeur de chaleur de camions frigorifiques

Info

Publication number: EP3190362A1
Application number: EP17150233.9A
Authority: EP
Inventors: Celso Zerbinatti; Maxime Lambert; Mohammed Youbi-Idrissi; Antony Dallais; David Bigot; Thierry Duboudin
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2016-01-11
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2037-01-04
Also published as: FR3046669B1; FR3046669A1; ES2726076T3; EP3190362B1

Abstract

Un procédé de gestion du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, où le camion est muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, - d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - d'un système d'échangeur thermique (1) dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant au moins un échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre , - ainsi que d'un système de circulation d'air (2), par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois froides du ou des échangeurs interne(s) à ladite au moins une chambre ; se caractérisant en ce que l'on déclenche une opération de dégivrage dudit échangeur lorsque deux écarts de température caractérisant l'échangeur (son pincement et un indicateur de suivi de la température de l'air soufflé) sont supérieurs à une consigne donnée pendant un temps cumulé t1.

Description

La présente invention concerne le domaine des procédés de transport et de distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les produits alimentaires, en camions frigorifiques, et elle s'intéresse tout particulièrement à l'une des techniques utilisées dans ce type de camions, dite « injection indirecte » qui met en oeuvre un (ou plusieurs) échangeur(s) de chaleur (par exemple des serpentins ou batteries à ailettes), dans lequel circule un fluide cryogénique tel l'azote liquide ou le CO₂ liquide, l'enceinte interne (chambre froide) au camion 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 la chambre froide du camion, le fluide cryogénique qui alimente le ou les échangeur(s) provenant d'un réservoir de cryogène liquide traditionnellement situé sous le camion.
Les ambiances maintenues à l'intérieur de la chambre froide peuvent être prévues aussi bien pour des produits frais (classiquement une température voisine de 4°C) que pour des produits surgelés (classiquement une température voisine de -20°C).
A titre illustratif, ces échangeurs ou unités frigorifiques peuvent être constitués de batterie(s) échangeur(s) à extension de surface de type tubes/ailettes (ailettes continues ou indépendantes), en cuivre et/ou aluminium, la batterie étant alimentée en cryogène liquide, par exemple en azote liquide. Cette batterie est par exemple placée dans une caisse qui guide le flux d'air aspiré par le ventilateur évoqué ci-dessus. L'air aspiré est donc refroidi lors de son passage à travers la batterie au contact des ailettes froides et des tubes alimentés en azote liquide.
On assiste alors au phénomène suivant : l'humidité contenue dans l'atmosphère interne à la chambre, entraîne, en fonctionnement, la formation d'un brouillard givrant et la formation de givre qui vient s'accumuler sur les tubes et ailettes de la batterie. Cette couche de givre qui se dépose sur les éléments constitutifs de la batterie forme une résistance (couche isolante) au transfert de chaleur entre l'air chaud à refroidir et le fluide cryogénique, avec comme conséquence une diminution du rendement de ces échangeurs.
La conséquence de ce phénomène est que dans un cycle classique de fonctionnement de ces échangeurs, par exemple de plus de 20 heures, plusieurs dégivrages au cours de ce cycle seront nécessaires.
La présente invention concerne alors plus particulièrement la séquence de dégivrage nécessitée par de tels échangeurs, qui intègre, d'une part, son déclenchement avec les paramètres associés, et d'autre part la phase de dégivrage proprement dite qui consiste à retirer ou faire fondre le givre accumulé sur l'échangeur.
Une des solutions de dégivrage répertoriées dans la littérature est de dégivrer au moyen de résistances électriques placées à proximité de l'échangeur ou plus généralement en faisant appel à la génération de chaleur comme par exemple envoyer de l'air « chaud » en direction de l'échangeur.
Une autre solution décrite dans la littérature pour dégivrer l'échangeur consiste à appliquer une action mécanique sur l'échangeur, comme par exemple des vibrations, de manière à détacher et faire chuter le givre formé sur la surface de l'échangeur.
La présente invention concerne plus particulièrement le premier mode de dégivrage (apport de chaleur). La durée d'un cycle de dégivrage est un paramètre important vis-à-vis de l'objectif global de maintenir la température de la caisse à la consigne, classiquement voisine de 4°C ou voisine de -20°C selon les produits considérés.
En effet, pendant la durée du dégivrage et donc la mise sous tension des résistances électriques, l'injection de cryogène et donc l'échangeur doit être à l'arrêt. En conséquence, la température de la caisse va donc augmenter pendant le temps de dégivrage. Il convient donc de minimiser autant que possible la durée du dégivrage. Un autre intérêt à minimiser cette phase est lié à la consommation électrique d'un tel dégivrage car le fonctionnement et le contrôle du ou des échangeurs cryogéniques est assuré par des batteries électriques ou accumulateurs.
Par ailleurs, afin de garantir une bonne efficacité du dégivrage et permettre à l'échangeur de retrouver son rendement initial, il convient d'arrêter l'alimentation des résistances électriques au bon moment, i.e ni trop tôt car alors le dégivrage ne serait pas suffisamment efficace, ni trop tardivement pour les raisons évoquées dans le paragraphe précédent.
Un des objectifs de la présente invention est donc de proposer une stratégie afin d'optimiser la « séquence de dégivrage », c'est-à-dire son déclenchement, et préférentiellement également son arrêt au moment opportun.
Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, selon l'invention, les critères de déclenchement sont basés sur la prise en compte des températures suivantes :

T_int : la température de l'air en entrée de l'échangeur (ce qui revient sensiblement à la température interne à la chambre) ;
T_{sortie fluide} : la température du fluide frigorigène en sortie de l'échangeur (i.e la température des vapeurs froides sortant de l'échangeur) ; et
T_{air soufflé} : la température de l'air « soufflé » i.e la température de l'air, devenu froid, après sa traversée de l'échangeur.

On rappellera ici que, comme il est bien connu de l'homme du métier, deux des températures évoquées ci-dessus caractérisent le « pincement de l'échangeur » : le « pincement » de l'échangeur représente l'écart entre la température de l'air en entrée de l'échangeur et la température du fluide frigorigène en sortie de l'échangeur (i.e la température des vapeurs froides sortant de l'échangeur), soit l'écart T_int - T_{sortie fluide} .
En général, on s'attache, selon le mode de fonctionnement classique imposé à l'échangeur par le biais des algorithmes de contrôle de procédé connus, à limiter le pincement à une valeur voisine de 15K, principalement dans le but de maintenir un niveau de rendement énergétique élevé. En pratique, lorsque cette valeur de pincement s'approche des 15K, le système va agir sur la vanne de régulation du débit de cryogène parvenant à l'échangeur pour le limiter de manière à conserver un pincement inférieur ou égal à 15K (mode de régulation du pincement).
Et le système est généralement dimensionné pour que l'échangeur ait un pincement dit « naturel », c'est-à-dire avec la vanne de régulation du débit de cryogène ouverte à 100%, situé par exemple entre 5 et 10K.
Au début du fonctionnement de l'échangeur, c'est-à-dire quand il n'est pas encrassé par le givre, il peut délivrer sa puissance maximale avec un pincement T_int - T_{sortie fluide} mesuré entre 5 et 10K conformément au dimensionnement.
Mais en exploitation, ouverture après ouverture des portes du camion, le givre va s'accumuler sur l'échangeur avec comme conséquence de créer une résistance thermique qui va réduire son efficacité. Par conséquent, la valeur du pincement va progressivement augmenter jusqu'à se rapprocher des 15K, entrainant une action de contrôle de l'échangeur en « régulation de pincement » (limitation du débit de cryogène pour avoir un pincement inférieur ou égale à 15K).
Le cumul du temps au cours duquel l'échangeur est piloté en mode « régulation de pincement » est donc un indicateur de l'état d'encrassement de l'échangeur par le givre. En pratique, en cumulant le temps où le pincement T_int - T_{sortie fluide} est supérieur à par exemple 13°C (valeur du pincement maximal de laquelle on retranche une marge) on peut connaître l'état d'encrassement de l'échangeur et déclencher son dégivrage au bout d'une durée t, t étant par exemple déterminé par une série d'essais.
Par ailleurs, la prise en givre de l'échangeur crée une restriction du passage libre pour la circulation l'air à travers la batterie, avec des pertes de charges additionnelles qui vont conduire à une diminution du débit d'air. L'air soufflé, sortant de l'échangeur, va donc devenir de plus en plus froid au fur et à mesure de la décroissance du débit d'air, donc de la prise en givre de l'échangeur. Le suivi dans le temps de la température de soufflage (T_{air soufflé} ) est donc un deuxième indicateur de l'état d'encrassement de l'échangeur par le givre. En pratique, on conçoit donc l'intérêt de suivre la différence de température T_int - T_{air soufflé}.
La sonde de mesure de la température T_{air soufflé} sera avantageusement positionnée sur la trajectoire où l'air subit les plus grandes pertes de charge, autrement dit sur la trajectoire où se forme majoritairement le givre de manière à avoir une sensibilité accrue.
Un deuxième indicateur intéressant pour le déclenchement du dégivrage est donc le suivi de la différence de température T_int - T_{air soufflé} . Le dégivrage sera alors avantageusement déclenché lorsque cette différence de température sera supérieure à une consigne donnée, Cons _{Tint - Tair soufflé}, pendant une durée donnée t, t et Cons _{Tint - Tair soufflé} étant des paramètres déterminés par exemple par le biais d'essais.
En résumé, la présente invention recommande, et c'est tout à fait nouveau par rapport aux démarches de dégivrage répertoriées dans la littérature, de prendre en compte deux indicateurs pour le déclenchement du dégivrage :

le suivi du pincement : T_int - T_{sortie fluide} , et plus préférentiellement du temps cumulé où le pincement est supérieur à une consigne Cons_pincement , par exemple à 13°C, qui ordonne le déclenchement du dégivrage quand le pincement est supérieur à cette consigne pendant un temps t donné, t étant par exemple déterminé par une série d'essais.
et
le suivi de la température de l'air soufflé, et plus préférentiellement de la différence de température T_int - T_{air soufflé} , qui ordonne le déclenchement du dégivrage quand cette différence est supérieure à une consigne donnée, Cons _{Tint - Tair soufflé}, pendant la durée donnée t.

On peut penser que l'intérêt de suivre ces deux écarts, en combinaison, réside notamment dans les aspects suivants :

le premier écart (pincement) renseigne sur l'efficacité de l'échangeur et notamment nous renseigne sur le moment où l'échangeur est chargé de givre sur une grande partie de sa surface d'échange, ce qui impacte à la fois l'aéraulique de l'échangeur et le transfert du froid vers l'air qui circule au travers de cet échangeur, d'où une puissance frigorifique réduite (T_{sortie fluide} s'élève).
le second écart (air soufflé) renseigne, quant à lui, sur un phénomène caractéristique des échangeurs cryogéniques cryogène/air humide, celui de la production d'un brouillard givrant qui, une fois produit, bloque les passages d'air et altère voire annule la puissance frigorifique.
la surveillance des deux facteurs est donc tout particulièrement avantageuse pour détecter le bon moment pour déclencher un dégivrage.

Pour mieux comprendre l'invention, reportons-nous à la figure 1 qui illustre un exemple de configuration d'échangeur, avec la localisation des températures prise en compte :

la référence 1 désigne un échangeur de type batterie tube et ailettes.
la référence 2 désigne un ventilateur forçant l'air (l'air à refroidir, i.e de la chambre frigorifique du camion) à passer au travers de l'échangeur.
la référence 3 désigne une position possible pour la sonde de mesure de la température T_int (air en entrée de l'échangeur).
la référence 4 désigne les ailettes.
la référence 5 désigne le tube d'arrivée du cryogène.
la référence 6 désigne une position possible pour la sonde de mesure de la température T_{air soufflé} (air soufflé en sortie de l'échangeur).
la référence 7 désigne le tube de retour du fluide frigorigène.
la référence 8 désigne une position possible pour la sonde de mesure de la température T_{sortie fluide} .

On décrit ci-dessous un exemple d'algorithme retenu selon l'invention pour déclencher le dégivrage de l'échangeur : $- - > (T_{int} - T_{sortie fluide} > {Cons}_{pincement})$
et $(T_{int} - T_{air soufflé} > {Cons}_{Tint - Tair soufflé})$
pendant un temps t1
Avec ci-dessous des exemples de paramètres déterminés par des campagnes d'essais :

Cons_pincement = 13°C
Cons_{Tint - Tair soufflé} = 40°C
t1 = 20 mn

La figure 2 annexée illustre un exemple d'application de cet algorithme sur un essai avec 3 ouvertures de portes du camion.
On le voit sur la figure 2, cet essai comporte une première phase de refroidissement de la caisse frigorifique depuis la température ambiante jusqu'à environ -20°C (température de consigne des produits congelés), phase qui prend environ 1h, puis une phase de stabilisation à -20°C pendant environ 1h30.
Une première ouverture de porte (OP1) est réalisée à t=2h30, puis une seconde (OP2) à t=3h06, puis une troisième (OP3) à t=3h46.
On peut remarquer que pendant la phase de refroidissement intervenant après chaque ouverture de porte, la différence de température T_int - T_{air soufflé} augmente avec le nombre d'ouvertures de porte :

zone A : entre 20°C et 30°C après OP1
zone B : entre 40 °C et 50°C après OP2
zone C : supérieure à 50°C après OP3.

Ceci s'explique par une diminution de la température de soufflage ouverture après ouverture de porte liée à la prise en givre de l'échangeur (diminution du débit d'air).
Par ailleurs, les zones D (après OP2) et E (après OP3) représentent deux périodes au cours desquelles l'échangeur est piloté en mode « régulation de pincement » synonyme d'une perte d'efficacité de l'échangeur lié à la formation de givre.
Avec l'algorithme définie précédemment, le dégivrage se déclenche à t=4h18 (repère F). Ce déclenchement a lieu à un moment très pertinent dans la mesure où l'on observe après la troisième ouverture de porte une diminution importante de la vitesse de descente en température, et des difficultés pour atteindre la température de consigne (-20°C).
Un autre aspect de l'invention concerne la phase de dégivrage proprement dite, c'est à dire la phase au cours de laquelle on va chercher à retirer le givre accumulé sur la batterie de l'échangeur dans l'objectif de permettre à celui-ci de retrouver, le plus vite possible, une efficacité proche de son efficacité initiale.
Comme on l'a indiqué plus haut, pendant que l'échangeur est en mode dégivrage, il est à l'arrêt et ne peut plus produire de froid. La durée de la phase de dégivrage devra donc être la plus courte possible de manière à ce que l'échangeur puisse fonctionner à nouveau.
Un compromis doit donc être trouvé entre la durée du dégivrage et son efficacité.
La stratégie de dégivrage visant à optimiser sa durée et son efficacité, repose d'une part sur un positionnement des résistances adapté par rapport à la répartition du givre sur la batterie et d'autre part, sur une mesure de température avec une sonde placée dans la batterie à un endroit où le givre va s'accumuler majoritairement.
Généralement, on observe que l'accumulation du givre sur la batterie n'est pas homogène, il a tendance à se déposer préférentiellement sur les parties les plus froides de la batterie, c'est-à-dire dans le cas présent, dans la zone d'arrivée de l'azote liquide, sur les premiers tubes/ailettes où le cryogène, par exemple l'azote liquide, va se vaporiser.
Aussi, lorsque que nous sommes dans des conditions où il y a formation d'un brouillard givrant dans la caisse frigorifique, les microgouttelettes d'eau liquide en état de surfusion vont se solidifier lorsqu'elles vont percuter un obstacle tel que le bord d'attaque des ailettes de la batterie. L'entrée de la batterie va ainsi progressivement s'obstruer jusqu'à former un mur de givre.
Est considéré comme brouillard givrant une atmosphère comprise entre 0° et -40°C, saturée ou non en humidité et chargée de microgouttelettes d'eau liquide en état de surfusion. Cet état permet aux gouttelettes de geler instantanément lorsqu'elles percutent un obstacle, permettant ainsi la formation de givre sur les bords d'attaque d'objets soumis à un flux d'air (par exemple : grilles d'aspiration, pales de ventilateurs, bords d'ailettes des échangeurs). Ce phénomène peut encrasser et « étouffer » les échangeurs à convection forcée en quelques minutes, les rendant ainsi inefficaces.
Considérons l'exemple d'échangeur présenté en figure 3 annexée, avec une arrivée (9) du fluide frigorigène sur les tubes supérieurs de la batterie (la sortie de fluide, gazeux, intervient en référence 10), le givre va préférentiellement se déposer sur la partie haute de la batterie et également, dans le cas où nous avons la formation d'un brouillard givrant, sur le bord d'attaque des ailettes. Le givre va donc se déposer préférentiellement selon la zone notée 11 sur la figure.
Selon l'invention, une sonde de température pouvant indiquer l'arrêt du dégivrage (à l'aide des résistances 13) peut être positionnée en référence 12, i.e proche de l'arrivée du fluide frigorigène, ici par exemple entre les tubes d'arrivée d'azote liquide, et à 5 à 20 cm à l'intérieur de la batterie. Cette mesure de température va permettre de détecter la fin de la phase de dégivrage au moment opportun.
Au fur et à mesure du fonctionnement de l'échangeur, la batterie va progressivement se charger en givre jusqu'à recouvrir totalement la sonde 12. Au moment où le dégivrage va se déclencher, selon les critères définis précédemment, la température indiquée par la sonde va être très basse, de l'ordre de - 100°C dans l'exemple considéré, étant donné qu'elle est prise dans la masse de givre, cette masse de givre étant au contact des tubes dans lequel circule l'azote liquide à une température comprise en -180 et -196°C.
Une fois le dégivrage déclenché, les résistances vont progressivement monter en température et fournir l'énergie nécessaire pour d'abord réchauffer le givre puis le faire fondre. L'évolution de la température « 12 » pendant le dégivrage peut se décomposer en 3 phases :

La première phase (A) où la température va progressivement augmenter correspond au réchauffage du givre.
La seconde phase (B), au cours de laquelle la température atteint un palier proche de 0°C, est liée à la liquéfaction du givre.
Enfin, le début de la troisième phase (C), où la température va de nouveau augmenter, coïncide avec la fin de la fonte du givre et donc la fin de l'étape de dégivrage.

Aussi, conformément à l'invention, un dégivrage avec un temps optimisé sera automatiquement stoppé lorsque la température en sonde 12 devient positive.

Claims

Procédé de gestion du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles , du type à injection indirecte, où le camion est muni :
- d'au moins une chambre de stockage des produits,

- d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide ou le CO₂ liquide,

- d'un système d'échangeur thermique (1) dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant au moins un échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre ,

- ainsi que d'un système de circulation d'air (2), par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois froides du ou des échangeurs interne(s) à ladite au moins une chambre ;
se caractérisant par la mise en oeuvre des mesures suivantes :
a) on dispose de sondes de température (3, 6, 8) aptes à mesurer les températures suivantes :
- T_int : la température de l'air en entrée de l'échangeur ;

- T_{sortie fluide} : la température des vapeurs froides sortant de l'échangeur ; et

- T_{air soufflé} : la température de l'air « soufflé » i.e la température de l'air, devenu froid, après sa traversée de l'échangeur.

b) et l'on ordonne une opération de dégivrage dudit échangeur quand les conditions suivantes sont atteintes :
- le pincement de l'échangeur: T_int - T_{sortie fluide} , est supérieur à une consigne donnée Cons_pincement , pendant un temps cumulé t1,
et

- l'écart de température T_int - T_{air soufflé} , est supérieur à une consigne donnée Cons_{Tint - Tair soufflé} , pendant le temps cumulé t1.
Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que la consigne Cons_pincement est comprise entre 5 et 40K, et plus préférentiellement entre 10 et 15K.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que la consigne Cons _{Tint - Tair soufflé} est comprise entre 10 et 40K, et plus préférentiellement entre 10 et 20K.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant en ce que ledit temps cumulé t1 est compris entre 10 et 50 minutes, et plus préférentiellement entre 10 et 20 minutes.
Procédé selon l'une des revendications précédentes, se caractérisant en ce que l'on met un terme à l'opération de dégivrage ainsi déclenchée, de la manière suivante :
- on dispose d'une sonde de température (12) apte à mesurer la température de l'air dans la zone de l'échangeur où entre le fluide cryogénique ;

- on effectue un suivi de la température fournie par cette sonde de température, durant l'opération de dégivrage ;

- on arrête l'opération de dégivrage lorsque cette température redevient positive après être passée par les phases suivantes :
- une première phase (A) intervenant après le démarrage de l'opération de dégivrage, phase où la température augmente et qui correspond au réchauffage du givre précédemment formé ;

- une seconde phase (B), au cours de laquelle la température atteint un palier proche de 0°C, phase qui est liée à la liquéfaction du givre ;

- une troisième phase (C), où la température recommence à augmenter, phase qui est liée à la fin de la fonte du givre.