EP3403037B1 - Système permettant l'extraction automatique des gaz froids dans une armoire de surgélation fonctionnant avec un fluide cryogenique - Google Patents

Système permettant l'extraction automatique des gaz froids dans une armoire de surgélation fonctionnant avec un fluide cryogenique Download PDF

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EP3403037B1
EP3403037B1 EP17702424.7A EP17702424A EP3403037B1 EP 3403037 B1 EP3403037 B1 EP 3403037B1 EP 17702424 A EP17702424 A EP 17702424A EP 3403037 B1 EP3403037 B1 EP 3403037B1
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cryogenic fluid
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Didier Pathier
Christian Reymond
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/04—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating air, e.g. by convection
    • F25D17/042—Air treating means within refrigerated spaces
    • F25D17/045—Air flow control arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
    • F25D17/005—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces in cold rooms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F25D3/102—Stationary cabinets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/12—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using solidified gases, e.g. carbon-dioxide snow
    • F25D3/122—Stationary cabinets

Definitions

  • the present invention relates to the field of cabinets used for freezing or storing food, medical or biological products, using a cryogenic gas as a cooling fluid, and it is more particularly interested in the gas extraction system equipping such cabinets. and which is an important element.
  • the gases are actively circulated.
  • an active extraction (fan, turbine, etc.) which allows the gases to be sucked outwards.
  • an active extraction is installed.
  • the latter consists of a fan installed in the tube extraction, a power supply and a control system which triggers its operation when necessary. All of this has a significant cost in the total cost of the freezing installation and when possible, an installation without active extraction will always be preferred by the production site.
  • a cabinet according to the preamble of claim 1 attached is known from the document US4344291A .
  • the document FR2979697A1 describes a cryogenic fluid refrigeration tunnel comprising inlet and outlet shutters.
  • the present invention seeks to propose a technical solution which aims to overcome the problem of cryogenic cabinet door seals, at a negligible cost.
  • the proposed solution includes a shutter (shutter whose cost is negligible), located at the entrance to the extraction tube in the freezing cabinet, flap extending towards the inside of the cabinet, and whose shape, the position and orientation make it possible to take advantage of the turbulence created by the fans.
  • a shutter shutter whose cost is negligible
  • flap extending towards the inside of the cabinet, and whose shape, the position and orientation make it possible to take advantage of the turbulence created by the fans.
  • the turbulence created is partly deflected by the shutter towards the extraction tube, thus pushing the gases towards the outside of the enclosure and thus creating a depression inside the freezing enclosure.
  • This shutter will be chosen according to the type of fans used in the cabinet and their direction (clockwise or counterclockwise) of operation.
  • this shutter must be studied to disrupt the freezing process of the cabinet as little as possible (studied for example by modeling or quite simply by tests on a real cabinet), in particular to check that the shutter provides the desired effect. which is to create a depression inside the cabinet, so that the shutter does not disturb the air circulation too much in the cell and that it does not degrade the heat transfer coefficient in the freezing cabinet.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine des armoires utilisées pour la surgélation ou le stockage de produits alimentaires, médicaux ou biologiques, utilisant un gaz cryogénique comme fluide de refroidissement, et elle s'intéresse plus particulièrement au système d'extraction des gaz équipant de telles armoires et qui en est un élément important.
  • En effet, on peut rappeler que lorsque l'armoire fonctionne, elle est refroidie grâce à l'injection d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide ou le CO2 liquide à l'intérieur de l'enceinte fermée de l'appareil, ce fluide est la source de froid et son passage de l'état liquide à l'état gazeux s'accompagne d'un phénomène d'expansion du gaz. Ce gaz liquéfié se vaporise dans l'enceinte et doit ensuite être évacué de la machine vers l'extérieur du local de production.
  • Pour ce faire, on utilise souvent un tube d'extraction (sorte de cheminée) qui relie l'enceinte à l'extérieur du bâtiment. Le gaz s'échappe alors naturellement de l'enceinte vers l'extérieur. La légère surpression créée dans l'enceinte permet de faire circuler le gaz vers l'extérieur de l'enceinte.
  • Dans d'autres cas, les gaz sont mis en circulation de manière active. Sur ce tube est alors implantée une extraction active (ventilateur, turbine...) qui permet d'aspirer les gaz vers l'extérieur.
  • Lorsque l'armoire est neuve et qu'elle fonctionne correctement, le système énoncé ci-dessus fonctionne très bien.
  • En revanche, après un certain temps, les conditions de fonctionnement dérivent légèrement d'un fonctionnement idéal. En effet, on constate qu'avec le temps, les joints de la ou les porte(s) des armoires cryogéniques deviennent moins étanches car aucun matériau ne supporte les températures très basses des surgélateurs cryogéniques sans devenir à terme rigide ou cassant. Ils laissent alors passer une quantité plus ou moins grande de gaz ce qui peut dans les cas les plus extrêmes mener à une anoxie (manque d'oxygène) ou à une intoxication (gaz carbonique) des personnels présents dans le local de production.
  • Pour éviter cela, les sites sont contraints de changer les joints très souvent, ce qu'en pratique, avouons le, ils ne font pas, et les armoires de surgélation cryogéniques fonctionnent alors avec des joints imparfaits.
  • Lorsque les locaux de production sont convenablement ventilés on peut considérer que cette petite fuite de gaz causée par des joints imparfaits ne pose pas de problème critique, les fuites de gaz sont ventilées grâce à la ventilation du local et l'installation peut fonctionner sans risque.
  • En revanche, lorsque la ventilation du local de production ne permet pas d'évacuer cette fuite de gaz vers l'extérieur, alors deux solutions sont utilisées de manière courante :
    • La première solution consiste à installer un système de chauffage permanent des joints de manière à éviter qu'ils ne descendent trop bas en température et qu'ils perdent leurs propriétés élastiques. Les joints restent alors flexibles et étanches plus longtemps que lorsqu'ils sont soumis aux basses températures. Le problème de fuite est alors retardé sans être supprimé, ce qui peut parfois convenir. Cependant cette technique a un cout non négligeable.
    • La deuxième solution consiste à installer une extraction active (ventilateur dans le tube d'extraction, voir plus haut), qui va permettre de créer une dépression à l'intérieur de l'enceinte cryogénique. Ainsi, les fuites constatées au niveau des joints de portes ne vont plus se traduire par une sortie de gaz dans le local de production mais par une entrée d'air dans l'enceinte de surgélation. Le surgélateur ne laisse alors plus sortir de gaz dans le local de production et la petite entrée d'air dans l'appareil ne perturbe en rien le procédé de surgélation dans la mesure où cette entrée d'air reste à un niveau limité.
  • Ainsi, pour compenser l'imperfection d'étanchéité des joints de portes et supprimer le problème de fuite de gaz qui est lié, on installe une extraction active. Cette dernière se compose d'un ventilateur installé dans le tube d'extraction, d'une alimentation électrique et d'un système de commande qui déclenche son fonctionnement lorsque cela est nécessaire. Tout cet ensemble à un coût non négligeable dans le coût total de l'installation de surgélation et lorsque cela est possible, une installation sans extraction active sera toujours préférée par le site de production.
  • Une armoire suivant le préambule de la revendication 1 ci-jointe est connue du document US4344291A . Le document FR2979697A1 décrit un tunnel de réfrigération par fluide cryogénique comportant des volets en entrée et en sortie.
  • Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la présente invention s'attache à proposer une solution technique qui a pour objectif de s'affranchir du problème des joints de portes des armoires cryogéniques, à un coût négligeable.
  • Pour cela, on propose d'utiliser les ventilateurs naturellement présents dans les armoires de surgélation (la fonction première de ces ventilateurs est de brasser l'air dans l'armoire et ainsi contribuer à l'échange thermique s'y produisant) de telle sorte qu'ils continuent à réaliser cette fonction première mais qu'ils réalisent en plus une fonction d'extraction active des gaz vers l'extérieur.
  • La solution proposée comporte un volet (volet dont le coût est négligeable), situé à l'entrée du tube d'extraction dans l'armoire de surgélation, volet s'étendant vers l'intérieur de l'armoire, et dont la forme, la position et l'orientation permettent de tirer partie des turbulences créées par les ventilateurs. Lorsque les ventilateurs fonctionnent, les turbulences créées sont en partie déviées par le volet vers le tube d'extraction, poussant ainsi les gaz vers l'extérieur de l'enceinte et créant ainsi une dépression à l'intérieur de l'enceinte de surgélation.
  • La forme et l'orientation de ce volet vont être choisis en fonction du type de ventilateurs utilisés dans l'armoire et de leur sens (horaire ou antihoraire) de fonctionnement.
  • Par ailleurs, ce volet doit être étudié pour perturber le moins possible le processus de surgélation de l'armoire (étudié par exemple par modélisation ou encore tout simplement par des essais sur armoire réelle), notamment pour vérifier que le volet apporte l'effet recherché qui est de créer une dépression à l'intérieur de l'armoire, que le volet ne perturbe par trop la circulation de l'air dans la cellule et qu'il ne dégrade pas le coefficient de transfert thermique dans l'armoire de surgélation.
  • Les figures annexées illustrent quatre exemples de réalisation de ces volets, suivant que l'extraction est située en bas ou en haut de l'armoire de surgélation et suivant que les ventilateurs tournent dans le sens horaire ou antihoraire.
    • en figure 1 annexée on constate (sur la vue de gauche , tube d'extraction non équipé d'un volet), que les turbulences créées par les ventilateurs passent devant l'entrée du tube d'extraction (situé en partie basse de l'armoire), tandis qu'alors à l'aide du volet positionné à l'entrée du tube d'extraction vers l'intérieur de l'armoire de surgélation (vue du milieu), au moins une partie des turbulences s'engouffrent dans l'entrée du tube d'extraction (vue de droite). Le volet a ici une forme de « classeur » ou « d'écope ».
    • en figure 2 annexée on constate (sur la vue de gauche , tube d'extraction non équipé d'un volet), qu'ici encore les turbulences créées par les ventilateurs passent devant l'entrée du tube d'extraction, et qu'alors à l'aide du volet positionné à l'entrée du tube d'extraction vers l'intérieur de l'armoire de surgélation (vue du milieu), au moins une partie des turbulences s'engouffrent dans l'entrée du tube d'extraction (vue de droite). Ici encore le volet a une forme de « classeur » ou « d'écope ».
    • la figure 3 annexée illustre une situation de fonctionnement horaire des ventilateurs, et où l'extraction est située en haut de l'armoire de surgélation. Ici encore grâce au volet positionné au niveau de l'entrée du tube d'extraction vers l'intérieur de l'armoire de surgélation (vue du milieu), au moins une partie des turbulences s'engouffrent dans l'entrée du tube d'extraction (vue de droite). Le volet a ici une forme de cylindre tronqué.
    • et la figure 4 annexée illustre une situation de fonctionnement antihoraire des ventilateurs, et où l'extraction est située à nouveau en haut de l'armoire de surgélation. Ici encore grâce au volet positionné au niveau de l'entrée du tube d'extraction vers l'intérieur de l'armoire de surgélation (vue du milieu), au moins une partie des turbulences s'engouffrent dans l'entrée du tube d'extraction (vue de droite). Le volet a ici une forme de « tube coudé ».
  • On aura bien compris que les formes des volets illustrées ici ne sont que des exemples illustratifs de l'invention, et on pourra dès lors utiliser d'autres formes, mais aussi intervertir les formes dans les cas énoncés ci-dessus (on pourra par exemple utiliser un tube coudé dans la configuration de la figure 1).
  • L'invention concerne alors une armoire utilisée pour la surgélation ou le stockage de produits alimentaires, médicaux ou biologiques, utilisant un fluide cryogénique comme fluide de refroidissement, armoire du type :
    • munie d'un ou de plusieurs ventilateurs de convection situé(s) dans l'enceinte de l'armoire et apte(s) à brasser l'air interne à l'armoire et ainsi à contribuer à l'échange thermique s'y produisant ;
    • et munie d'un système d'extraction des gaz formés dans l'enceinte de l'armoire du fait de la vaporisation dudit fluide cryogénique, système d'extraction comportant un tube d'extraction se raccordant à une paroi de l'armoire et reliant l'enceinte à l'extérieur ;
    se caractérisant en ce qu'elle comporte un volet, situé sur ladite paroi, à l'entrée du tube d'extraction dans l'armoire, et s'étendant vers l'intérieur de l'armoire, volet dont la forme, la position et l'orientation permettent de dévier vers le tube d'extraction tout ou partie des turbulences crées par le ou lesdits ventilateurs de convection.
  • Les essais menés avec un système conforme à l'un des exemples évoqués ci-dessus ont montré d'excellents résultats :
    • la dépression créée dans l'enceinte est ajustable en modifiant la vitesse des ventilateurs et peut aller jusqu'à 200Pa (2mbar).
    • ce dispositif réalise une action comparable à celle d'un extracteur actif (ventilateur installé dans la conduite d'extraction) tel que pratiqué selon l'art antérieur, mais sans ventilateur actif et sans ses coûts associés (le cout du volet mis en oeuvre ici est tout simplement dérisoire).
    • en pratique, cela permet de fonctionner en toute sécurité et quelles que soient les situations, avec des joints de porte imparfaits et sans fuite de gaz dans le local de production.
    • le procédé de surgélation n'est pas perturbé.
    • ce système est adapté aux armoires de surgélation fonctionnant à l'azote liquide ou au CO2 liquide. Il se révèlera particulièrement utile pour les applications fonctionnant au CO2 car dans ce cas, les fuites de gaz même minimes ont souvent un impact fort dans l'atelier de production et elles sont rarement tolérables.

Claims (1)

  1. Armoire pour la surgélation ou le stockage de produits alimentaires, médicaux ou biologiques, utilisant un fluide cryogénique se vaporisant dans l'enceinte fermée de l'armoire comme fluide de refroidissement, armoire du type :
    - munie d'un ou de plusieurs ventilateurs de convection situé(s) dans l'enceinte de l'armoire et apte(s) à brasser l'air interne à l'armoire et ainsi à contribuer à l'échange thermique s'y produisant ;
    - et munie d'un système d'extraction des gaz formés dans l'enceinte de l'armoire du fait de la vaporisation dudit fluide cryogénique, système d'extraction comportant un tube d'extraction (1) se raccordant à une paroi de l'armoire et reliant l'enceinte à l'extérieur ;
    se caractérisant en ce qu'elle comporte un volet (2), situé sur ladite paroi, à l'entrée du tube d'extraction dans l'armoire, et s'étendant vers l'intérieur de l'armoire, volet dont la forme, la position et l'orientation permettent de dévier vers le tube d'extraction tout ou partie des turbulences (3) crées par le ou lesdits ventilateurs de convection.
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