FR3034511A1 - THERMAL EXCHANGER FOR THE CRYOGENIC TRANSPORT OF THERMOSENSITIVE PRODUCTS - Google Patents
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Abstract
Un échangeur thermique apte à réaliser un échange entre de l'air et de la neige carbonique, se caractérisant en ce qu'il comporte les éléments suivants : - au moins une plaque d'une mousse métallique ou d'une paille métallique, mousse ou paille se caractérisant par un taux de porosité ou de vide donné, plaque apte à stocker en son sein une quantité de CO2 liquide ou de neige carbonique ; - une plaque de contact, solidaire par une de ses deux faces de ladite plaque de mousse ou de paille, plaque de contact apte, au niveau de son autre face à être mise en contact avec l'air d'un espace à refroidir.A heat exchanger capable of exchanging between air and dry ice, characterized in that it comprises the following elements: at least one plate of a metal foam or a metal straw, foam or straw characterized by a given rate of porosity or vacuum, a plate capable of storing therein a quantity of liquid CO2 or dry ice; - A contact plate secured by one of its two faces of said foam plate or straw, suitable contact plate, at its other side to be placed in contact with the air of a space to be cooled.
Description
1 La présente invention concerne le domaine du transport et de la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires. Dans ce domaine, le froid nécessaire au maintien de la température des produits est fourni principalement par deux technologies différentes : - les groupes frigorifiques à compression mécanique de vapeur fonctionnant en boucle fermée ; - les groupes cryogéniques fonctionnant en boucle ouverte et mettant en oeuvre une injection directe ou indirecte de fluides cryogéniques et en particulier d'azote liquide. La présente invention s'intéresse plus particulièrement aux solutions cryogéniques à injection indirecte. Dans de telles solutions, s'agissant des véhicules dont la capacité est supérieure à environ 12 m3, le fluide cryogénique alimentant la caisse provient traditionnellement d'un réservoir cryogénique embarqué sur le camion frigorifique (en général en dessous du camion) jusqu'à un ou plusieurs échangeurs thermiques situés à l'intérieur de la ou les chambres froides du camion, échangeurs munis de moyens de circulation d'air. Ces échangeurs permettent le refroidissement, à la température désirée, de l'air interne de la chambre stockant les produits. Mais on peut signaler aussi ce domaine du transport cryogénique met en oeuvre aussi, pour certaines applications, de tout petits véhicules, petits camions, petits fourgons de livraison, pour lesquels une source cryogénique trop lourde est clairement inenvisageable. Ces petits véhicules offrent un très petit volume de stockage (typiquement voisin de 1 à 2 m3) et ils effectuent des tournées de quelques heures au maximum (3 à 5 heures par exemple). En pratique ils embarquent donc une certaine masse de glace carbonique, soit posée sur le toit du véhicule, et créant un échange de frigories avec l'intérieur de la caisse au travers de la surface du toit, soit positionnée dans une cassette à l'intérieur de la caisse et échangeant avec l'intérieur de la caisse par exemple au travers d'une structure de grille.The present invention relates to the field of transport and distribution of thermosensitive products, such as pharmaceuticals and foodstuffs. In this field, the cold required to maintain the temperature of the products is provided mainly by two different technologies: - refrigeration units with mechanical compression of steam operating in a closed loop; - Cryogenic groups operating in open loop and implementing a direct or indirect injection of cryogenic fluids and in particular liquid nitrogen. The present invention is more particularly concerned with cryogenic indirect injection solutions. In such solutions, for vehicles with a capacity greater than about 12 m 3, the cryogenic fluid supplying the body usually comes from a cryogenic tank on board the refrigerated truck (usually below the truck) to a maximum of or several heat exchangers located inside the cold room or chambers of the truck, exchangers equipped with air circulation means. These exchangers allow the cooling, at the desired temperature, of the internal air of the chamber storing the products. But it can also be noted that this field of cryogenic transport also implements, for certain applications, very small vehicles, small trucks, small delivery vans, for which a too heavy cryogenic source is clearly unthinkable. These small vehicles offer a very small storage volume (typically around 1 to 2 m3) and they make tours of a few hours maximum (3 to 5 hours for example). In practice they embark therefore a certain mass of dry ice, is placed on the roof of the vehicle, and creating an exchange of frigories with the interior of the box through the surface of the roof, is positioned in a cassette inside of the box and exchanging with the interior of the box for example through a grid structure.
3034511 2 On s'intéresse dans le cadre de la présente invention en particulier à un segment important du marché du transport qui est celui de la distribution urbaine avec des petits véhicules, notamment à motorisation électrique, dont la 5 caisse a typiquement un volume intérieur allant de 6 à 15 m3. Pour de tels véhicules, un apport de frigories par froid mécanique ne peut pas répondre à la demande, ceci pour différentes raisons et notamment le fait que faire fonctionner un groupe de froid avec un réservoir de diesel pour un camion électrique est peu compatible avec les exigences environnementales 10 actuelles, ou encore le fait qu'en terme d'optimisation du poids un groupe frigorifique de froid mécanique est très lourd. Mais un apport de frigories qui utiliserait une injection indirecte d'azote liquide ne convient clairement pas non plus, cette technologie nécessite un réservoir embarqué, une telle place n'est pas en l'espèce disponible.In the context of the present invention, particular interest is given to an important segment of the transport market which is that of urban distribution with small vehicles, in particular with electric motorization, whose box typically has an interior volume ranging from from 6 to 15 m3. For such vehicles, a contribution of frigories by mechanical cold can not meet the demand, this for various reasons and in particular the fact that run a cold group with a diesel tank for an electric truck is not compatible with the requirements current environment, or the fact that in terms of weight optimization a refrigeration unit mechanical cold is very heavy. But a contribution of frigories that would use an indirect injection of liquid nitrogen is clearly not suitable either, this technology requires an onboard tank, such a place is not available in this case.
15 Et l'on conçoit que si pour de très petits volumes de stockage (1 à 2 m3), le fait de mettre un certaine quantité de neige carbonique dans une cassette et laisser s'effectuer le refroidissement par convection naturelle peut suffire, une telle démarche ne peut pas convenir pour des volumes de 10 à 15 m3 qui 20 nécessiteraient notamment des quantités de neige trop importantes pour assurer une tournée. On envisage alors selon la présente invention l'utilisation de neige carbonique et la réalisation d'un échange air/neige dans un échangeur interne 25 à la caisse et la présente invention s'attache donc à proposer un nouvel échangeur air/neige carbonique, notamment pour permettre le transport de produits nécessitant une température de consigne située dans la gamme allant de 0°C à -18°C ou moins (donc tant pour des produits frais que pour des produits surgelés).And it is conceivable that if for very small storage volumes (1 to 2 m 3), putting a certain amount of dry ice in a cassette and allowing natural convection cooling to take place may suffice, such This step may not be suitable for volumes of 10 to 15 m3, which would require, in particular, excessive amounts of snow to ensure a tour. It is therefore envisaged according to the present invention the use of dry ice and the realization of an air / snow exchange in an internal heat exchanger 25 at the body and the present invention therefore seeks to provide a new air / dry ice heat exchanger, in particular to allow the transport of products requiring a set temperature in the range of 0 ° C to -18 ° C or less (so for both fresh and frozen products).
30 A la connaissance de la Demanderesse il n'existe pas sur le marché d'échangeurs à neige carbonique (air/neige) permettant le maintien en froid de caisses d'une capacité de l'ordre de 10 à 15 m3.To the knowledge of the Applicant there is no on the market of dry ice exchangers (air / snow) for maintaining cold boxes with a capacity of the order of 10 to 15 m3.
3034511 3 L'échangeur proposé doit notamment pouvoir répondre aux problématiques suivantes : - il doit donc comme on l'a dit permettre de maintenir en froid des 5 caisses de 10 à 15m3 de volume ; - il doit permettre de maintenir en froid tant des produits frais que des produits surgelés, sans risquer de congeler des produits frais qui se tiendraient en un point proche de l'échangeur ; - la sublimation de la neige ne doit pas intervenir dans la caisse (pour 10 éviter les problèmes d'asphyxie) ; - son encombrement doit être minimal : le système doit être logeable dans la caisse sans entrainer une diminution sensible du nombre de palettes utiles ; - il doit offrir une puissance sensiblement constante et réaliser une 15 homogénéité du froid dans la caisse. Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, l'invention propose un tel échangeur permettant de réaliser un échange thermique air/neige carbonique, et c'est le mérite de la présente invention d'avoir démontré qu'il est 20 possible de répondre à un tel cahier des charge à l'aide d'un échangeur comportant une ou des plaques élaborée(s) en une mousse métallique ou en une paille métallique, dans la structure de laquelle sera stockée de la neige carbonique.3034511 3 The proposed heat exchanger must in particular be able to respond to the following problems: - it must therefore, as has been said allow to keep cold 5 boxes of 10 to 15m3 volume; - it must make it possible to keep both fresh and frozen products cold, without the risk of freezing fresh products which would be held at a point close to the exchanger; sublimation of the snow must not intervene in the box (to avoid asphyxiation problems); - Its bulk must be minimal: the system must be accommodable in the box without causing a significant decrease in the number of useful pallets; it must offer a substantially constant power and achieve a homogeneity of cold in the box. As will be seen in more detail in the following, the invention proposes such an exchanger for performing a heat exchange air / dry ice, and it is the merit of the present invention to have demonstrated that it is possible to meet such a specification with the aid of an exchanger comprising one or plates made (s) of a metal foam or a metal straw, in the structure of which will be stored dry ice.
25 On connaît les mousses métalliques, ce sont des structures alvéolaires constituées d'un métal solide, contenant un volume important de gaz (des pores). La principale caractéristique des mousses métalliques est une porosité très élevée, couramment de 75 à 95% du volume. Elles sont commercialement disponibles, par exemple au catalogue de 30 la société Goodfellow, mais ne sont répertoriées dans la littérature à ce jour que pour des utilisations comme absorbeurs de chocs ou comme échangeurs liquides, également dans des applications de filtration, mais à aucun moment 3034511 4 elles n'ont été évoquées pour stocker de la neige carbonique. Et c'est donc le mérite de la présente invention d'avoir envisagé l'utilisation de telles structures pour l'élaboration d'échangeurs air/neige carbonique.Metal foams are known, they are cellular structures made of a solid metal, containing a large volume of gas (pores). The main characteristic of metal foams is a very high porosity, commonly 75 to 95% of the volume. They are commercially available, for example from Goodfellow's catalog, but are listed in the literature so far only for uses as shock absorbers or as liquid exchangers, also in filtration applications, but at no time 3034511 4 they were not mentioned to store dry ice. And it is therefore the merit of the present invention to have envisaged the use of such structures for the development of exchangers air / dry ice.
5 La présente invention concerne alors un échangeur thermique apte à réaliser un échange entre de l'air et de la neige carbonique, se caractérisant en ce qu'il comporte les éléments suivants : - au moins une plaque d'une mousse métallique ou d'une paille métallique, mousse ou paille se caractérisant par un taux de porosité ou de 10 vide donné, plaque apte à stocker en son sein une quantité de CO2 liquide ou de neige carbonique ; - une plaque de contact, solidaire par une de ses deux faces de ladite plaque de mousse ou de paille, plaque de contact apte, au niveau de son autre face à être mise en contact avec l'air d'un espace à refroidir.The present invention thus relates to a heat exchanger capable of exchanging between air and dry ice, characterized in that it comprises the following elements: at least one plate of a metal foam or a metal straw, foam or straw characterized by a given porosity or vacuum, plate capable of storing therein a quantity of liquid CO2 or dry ice; - A contact plate secured by one of its two faces of said foam plate or straw, suitable contact plate, at its other side to be placed in contact with the air of a space to be cooled.
15 L'invention peut par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - la plaque de contact est élaborée dans le même métal que la plaque de mousse ou de paille. 20 - la plaque métallique (mousse ou paille) présente un taux de vide s'élevant à au moins 80%, et se situant préférentiellement dans la gamme 900/0-98%. - la plaque métallique (mousse ou paille) présente des pores dont le diamètre s'élève à au moins 8 mm, et se situe préférentiellement dans la 25 gamme 10 mm-1 4mm. - la plaque de contact est munie, sur sa face susceptible d'être mise en contact avec l'air d'un espace à refroidir, d'ailettes placées perpendiculairement à la face considérée. - l'échangeur est muni de moyens de ventilation pour extraire le froid 30 stocké dans la plaque métallique en convection forcée, ceci afin de mettre en contact l'air d'un espace à refroidir avec la plaque de contact. 3034511 5 - l'échangeur est muni de moyens permettant le chargement de la plaque métallique (de tout ou partie de sa structure poreuse) en neige carbonique. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les moyens de chargement en neige carbonique comprennent une ou des rampes 5 d'injection par capillaires. - l'échangeur est muni de moyens permettant le chargement de la plaque métallique (de tout ou partie de sa structure poreuse) en CO2 liquide. Les expérimentations menées par la Demanderesse ont mis en 10 évidence les avantages techniques suivants : - la conductivité thermique de telles mousses (par exemple en aluminium) est excellente, ce qui permet de s'affranchir de la question d'atteindre ou non une parfaite homogénéité de la répartition de la neige dans la plaque. La température en tout point de la plaque, et quel que soit l'état de 15 sublimation de la neige carbonique en différents points de cette plaque, sera sensiblement homogène. - la mousse ou paille va emmagasiner du froid via les gaz générés durant le remplissage des pores en neige carbonique. La mouse ou paille va donc jouer le rôle d'un accumulateur de froid. 20 - la neige est bien « tenue » dans les porosités, ce qui permet de limiter l'impact des mouvements d'une caisse frigorifique munie d'un tel échangeur et donc limite les risques de former des mottes de neige au sein de l'échangeur. - l'utilisation de porosités élevées laisse une place importante pour y stocker de la neige et ces porosités élevées permettent également une bonne 25 maitrise du poids de l'échangeur. L'invention concerne également un procédé de transport de produits thermosensibles en camion réfrigéré, du type où le camion est muni : - d'au moins une chambre de stockage des produits, 30 - d'un système d'échangeur thermique interne à ladite au moins une chambre, dans lequel circule un fluide cryogénique ou dans lequel peut être chargé un fluide cryogénique, se caractérisant en ce que le système 3034511 6 d'échangeur thermique comporte au moins un échangeur air/neige carbonique conforme à l'invention décrite ci-dessus. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le camion ou 5 l'échangeur est muni d'un système de circulation d'air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec la plaque de contact de l'échangeur air/neige carbonique. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, le camion ou l'échangeur est muni d'un système de circulation d'air, par exemple de type 10 ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec des ailettes qui sont solidaires de la plaque de contact de l'échangeur air/neige carbonique. Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, l'échangeur 15 air/neige carbonique est muni de moyens permettant le chargement de la plaque métallique (de tout ou partie de sa structure poreuse) en neige carbonique. Selon un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les moyens de chargement en neige carbonique comprennent une ou des rampes d'injection par capillaires.The invention may furthermore adopt one or more of the following technical features: the contact plate is made of the same metal as the foam or straw board. The metal plate (foam or straw) has a void ratio of at least 80%, and is preferably in the range 900 / 0-98%. - The metal plate (foam or straw) has pores with a diameter of at least 8 mm, and is preferably in the range 10 mm-1 4 mm. - The contact plate is provided on its face may be placed in contact with the air of a space to be cooled, fins placed perpendicular to the face. the exchanger is provided with ventilation means for extracting the cold stored in the metal plate in forced convection, so as to bring the air into contact with a space to be cooled with the contact plate. - The exchanger is provided with means for loading the metal plate (all or part of its porous structure) in dry ice. According to a preferred embodiment of the invention, the dry ice loading means comprise one or more capillary injection ramps. - The exchanger is provided with means for loading the metal plate (all or part of its porous structure) into liquid CO2. The experiments conducted by the Applicant have demonstrated the following technical advantages: the thermal conductivity of such foams (for example aluminum) is excellent, which makes it possible to overcome the question of whether or not to achieve perfect homogeneity the distribution of snow in the plate. The temperature at any point of the plate, and whatever the state of sublimation of the dry ice at different points of this plate, will be substantially homogeneous. - The foam or straw will store cold via the gases generated during the filling of pores in dry ice. The mouse or straw will therefore play the role of a cold accumulator. Snow is well "held" in porosities, which makes it possible to limit the impact of the movements of a refrigerated box equipped with such an exchanger and thus limits the risks of forming snowflakes within the exchanger. the use of high porosities leaves an important place for storing snow and these high porosities also allow a good control of the weight of the exchanger. The invention also relates to a method for transporting thermosensitive products in a refrigerated truck, of the type in which the truck is provided with: at least one product storage chamber, a heat exchanger system internal to said at least one chamber, in which circulates a cryogenic fluid or in which a cryogenic fluid may be charged, characterized in that the heat exchanger system comprises at least one air / dry ice exchanger according to the invention described hereinabove. above. According to one of the embodiments of the invention, the truck or the exchanger is provided with an air circulation system, for example of the fan type, capable of bringing the internal air into contact with the chamber. with the contact plate of the air / dry ice exchanger. According to one of the embodiments of the invention, the truck or the exchanger is provided with an air circulation system, for example of the type of fans, capable of bringing the internal air into contact with the chamber. with fins that are integral with the contact plate of the exchanger air / dry ice. According to one of the embodiments of the invention, the air / dry ice exchanger is provided with means for loading the metal plate (of all or part of its porous structure) with dry ice. According to a preferred embodiment of the invention, the dry ice loading means comprise one or more injection bars by capillaries.
20 Selon un des modes de mise en oeuvre de l'invention, l'échangeur air/neige carbonique est muni de moyens permettant le chargement de la plaque métallique (de tout ou partie de sa structure poreuse) en CO2 liquide, CO2 liquide apte à se détendre naturellement dans la structure poreuse pour générer de la neige.According to one of the embodiments of the invention, the air / dry ice exchanger is provided with means for loading the metal plate (of all or part of its porous structure) with liquid CO2, liquid CO2 suitable for naturally relax in the porous structure to generate snow.
25 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels : 30 la figure 1 est une vue schématique partielle d'un échangeur conforme à l'invention, tout particulièrement préféré pour le transport de produits surgelés; 3034511 7 - la figure 2 est une vue schématique partielle d'un échangeur conforme à l'invention, tout particulièrement préféré pour le transport de produits frais.Other features and advantages of the present invention will appear more clearly in the following description, given by way of illustration but not by way of limitation, with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a partial schematic view of a heat exchanger according to the invention, very particularly preferred for the transport of frozen products; FIG. 2 is a partial schematic view of an exchanger according to the invention, which is particularly preferred for transporting fresh products.
5 La figure 1 est donc une vue schématique partielle d'un échangeur conforme à l'invention, tout particulièrement préféré pour le transport de produits surgelés ou pour être positionné dans la zone « surgelés » d'un camion multizones. On reconnaît sur la figure les éléments suivants : 10 - l'échangeur tient dans une enveloppe d'un m3; - une plaque M de mousse métallique, par exemple en aluminium, d'épaisseur pour ce mode de réalisation voisine de 46 mm, présentant des pores d'un diamètre voisin de 10 mm et un taux de vide voisin de 85% ; - une zone « libre » V d'une hauteur voisine de 54mm ; 15 - une zone « R » que l'on peut qualifier de zone de remplissage et d'extraction ; - la partie inférieure de la plaque métallique M est bornée par une plaque de contact C apte à former une surface d'échange avec l'air de la caisse à refroidir ; 20 - une surface d'échange secondaire constituée par une structure l'ailettes A, portant la surface d'échange ici de 1m2 à 1,3m2 , grâce à l'intégration de 20 ailettes droites d'une hauteur voisine de 7,5 mm, espacées d'environ 50mm, et solidaires de la plaque de contact C.FIG. 1 is therefore a partial schematic view of an exchanger according to the invention, which is particularly preferred for transporting frozen products or for being positioned in the "frozen" zone of a multi-zone truck. The following elements are recognized in the figure: the exchanger holds in an envelope of one cubic meter; a plate M of metal foam, for example of aluminum, of thickness for this embodiment close to 46 mm, having pores with a diameter of around 10 mm and a degree of vacuum close to 85%; a "free" zone V with a height of about 54 mm; An "R" zone that can be described as a filling and extraction zone; the lower part of the metal plate M is bounded by a contact plate C capable of forming an exchange surface with the air of the box to be cooled; A secondary exchange surface constituted by a fin structure A, bringing the exchange surface here from 1 m 2 to 1.3 m 2, thanks to the integration of straight fins with a height of around 7.5 mm , spaced about 50mm, and integral with the contact plate C.
25 La figure 2 illustre un autre mode de réalisation d'un échangeur conforme à l'invention, qui est tout particulièrement préféré pour le transport de produits frais ou pour être positionné dans la zone « frais » d'un camion. On reconnaît sur la figure les éléments suivants : 30 - une plaque M de mousse métallique, par exemple en aluminium, d'épaisseur pour ce mode de réalisation voisine de 46 mm, présentant des pores d'un diamètre voisin de 10 mm et un taux de vide voisin de 85% ; 3034511 8 - une zone « libre » V d'une hauteur voisine de 54mm ; - la partie inférieure de la plaque métallique M est bornée par une plaque de contact C apte à former une surface d'échange avec l'air de la caisse à refroidir ; 5 - une surface d'échange secondaire constituée par une structure l'ailettes A, portant la surface d'échange ici de 1m2 à 1,3m2 , grâce à l'intégration de 20 ailettes droites d'une hauteur voisine de 7,5mm, espacées d'environ 50mm, et solidaire de la plaque de contact C ; - la présence d'un ou de ventilateurs sur le côté de l'échangeur (zone 10 VT) ; - la présence éventuelle d'une plaque isolante I pour confiner le froid dans certaines situations. La récupération des gaz peut se faire par exemple au niveau de deux 15 zones tampons latérales qui bloquent la neige à l'aide de tôles gantois. Ces gaz pourront ensuite être collectés et dirigés à l'extérieur.FIG. 2 illustrates another embodiment of an exchanger according to the invention, which is particularly preferred for transporting fresh products or for being positioned in the "fresh" area of a truck. The following elements are recognized in the figure: a plate M of metal foam, for example of aluminum, of thickness for this embodiment close to 46 mm, having pores with a diameter of about 10 mm and a vacuum close to 85%; 3034511 8 - a "free" zone V of a height close to 54mm; the lower part of the metal plate M is bounded by a contact plate C capable of forming an exchange surface with the air of the box to be cooled; 5 - a secondary exchange surface constituted by a fin structure A, carrying the exchange surface here from 1 m 2 to 1.3 m 2, thanks to the integration of straight fins with a height of about 7.5 mm, spaced approximately 50mm, and secured to the contact plate C; the presence of one or more fans on the side of the exchanger (zone VT); - the possible presence of an insulating plate I to confine the cold in certain situations. Gas recovery can be done for example at two lateral buffer zones which block the snow using Ghent sheets. These gases can then be collected and directed outside.
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