FR3102728A1

FR3102728A1 - Méthode d’optimisation de la consommation de gaz d’une application de transport cryogénique

Info

Publication number: FR3102728A1
Application number: FR1912399A
Authority: FR
Inventors: Nadia MAYOUFI OUERGHEMMI; Mohammed Youbi-Idrissi; Line ROSSET; Olivier Pouchain
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Air Liquide France Industrie SA
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude; Air Liquide France Industrie SA
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2021-05-07

Abstract

Un procédé de suivi du fonctionnement d’un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, qui propose une méthode d’évaluation en temps réel de la consommation en cryogène d’un tel camion de transport frigorifique, tenant compte des conditions d’opération du véhicule et des caractéristiques techniques de ce véhicule. Figure de l’abrégé : Fig. 1.

Description

Méthode d’optimisation de la consommation de gaz d’une application de transport cryogénique

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 œuvre 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, dans le cas de l’azote liquide, le fluide cryogénique est acheminé depuis 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.

En revanche dans le cas du CO₂, on dispose généralement d’une sorte de cassette (généralement localisée au plafond de la chambre interne au véhicule), que l'on remplit avant le démarrage de la tournée, avec la neige carbonique, à partir d’une station de remplissage de CO₂liquide, la cassette est donc un réservoir de neige. L'échange thermique se fait à travers la surface extérieure (simple ou ailetée) de la cassette avec ou sans présence de moyens de ventilation. On peut donc qualifier cette situation de réservoir/échangeur.

Et l’invention s’intéresse tout particulièrement à ces échangeurs air/neige carbonique qui sont mis en œuvre dans de telles solutions cryogéniques à injection indirecte.

Et l’invention s’intéresse donc tout particulièrement au cas du CO₂, ou de tout autre cryogène pouvant être utilisé en phase solide, même si hors du CO₂ils sont en nombre très restreint on le sait.

Rappelons que le contrôle de procédé typiquement mis en œuvre dans de tels camions fonctionnant en injection indirecte est le suivant :

1- lors de la mise en route du système frigorifique du camion (par exemple au démarrage d’une tournée du camion ou après un arrêt prolongé du système frigorifique pour une raison quelconque) ou encore après une ouverture de porte, on adopte un mode de « descente rapide » en température (cette industrie nomme cette phase « pull down »).

2- Une fois la température de consigne atteinte dans la chambre de stockage des produits, on adopte un mode de contrôle/régulation qui permet de maintenir la température de la chambre de stockage des produits à la valeur de la consigne (cette industrie nomme cette phase « maintien » ou « régulation »).

Les professionnels de ce secteur parlent également d’un fonctionnement en pleine charge (phase 1) ou à charge partielle (phase 2).

Un exemple d’un tel échangeur air/neige carbonique est décrit dans le document FR-3 034 511, échangeur qui comporte 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 de mousse ou de paille qui est apte à stocker en son sein une quantité de CO₂liquide ou de neige carbonique, échangeur qui comporte également 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.

L’échangeur-réservoir peut aussi être constitué d’une simple cassette au sein de laquelle des chicanes sont disposées de façon à assurer un remplissage homogène de l’échangeur en neige carbonique.

Et l’on peut constater que la consommation en cryogène, par exemple en CO₂, de tels véhicules va dépendre des conditions d’opération (consignes à respecter dans la chambre de stockage des produits, température régnant à l’extérieur du véhicule, durée de la tournée, nombre d’ouvertures de portes et leur durée, … etc.), et des caractéristiques techniques de la solution de transport retenue (type de véhicule, isolation, type d’échangeur utilisé dans la caisse, régulation mise en œuvre …).

Dans le cas du CO₂, on peut considérer que la consommation réelle est obtenue au niveau de la station de remplissage de la cassette en CO₂, puisque cette station permet d’avoir accès à la quantité émise dans le réservoir/échangeur pendant la recharge, l’enjeu est alors ici d’optimiser la quantité mise au remplissage, puisque contrairement à l'azote, tout gramme de neige carbonique non-utilisé durant la tournée est un gramme perdu. D'où l'intérêt de disposer d’une évaluation de la consommation instantanée et cumulée.

Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une méthode d’évaluation en temps réel de la consommation en cryogène d’un camion de transport frigorifique, tenant compte des conditions d’opération du véhicule et des caractéristiques techniques de ce véhicule.

Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit, la présente invention propose la mise en œuvre des mesures suivantes :

le véhicule comprend des systèmes de mesure de paramètres physiques bien choisis, parmi eux : la température régnant à l’extérieur du véhicule, la température régnant à l’intérieur de la caisse, la situation de la porte ouverte ou fermée, le temps s’étant écoulé depuis que la porte est en position ouverte, la durée de la tournée prévue etc….
on dispose d’un calculateur, qui peut être localisé sur le véhicule ou bien au sein de la station de remplissage CO2, calculateur qui comporte des données caractérisant le véhicule (dimensions, caractéristiques d’isolation etc…), qui est apte à fournir des données prévisionnelles de météo durant la tournée considérée, et qui comporte les caractéristiques de la tournée à réaliser (consigne de température dans la caisse, selon par exemple qu’il s’agit de produits frais ou surgelés, temps de tournée, nombre et durée des ouvertures de porte qui sont à même de se produire etc…).

La présente invention propose alors de considérer que la consommation C en cryogène du véhicule va s’évaluer ainsi, comme étant la somme des consommations intervenant durant trois phases :

C=CPD + COP + CEC

où

- CPD = a *(Text-Tsp): c’est la consommation intervenant en descente rapide pour le refroidissement de l'air de la caisse à la consigne souhaitée et pour le refroidissement des parois de la caisse, généralement au voisinage de 2-4°C pour les produits frais et -20°C pour les produits surgelés.

Une fois la consigne atteinte dans la caisse après une première partie de « descente rapide » (durant typiquement 30 mn à 1h), on adopte un mode de contrôle/régulation (maintien) qui permet de maintenir la température de la chambre de stockage des produits à la valeur de la consigne (phase qui dure typiquement environ 2h), phase de maintien durant laquelle la température est maintenue au voisinage de la consigne et où la consommation de cryogène décroit graduellement jusqu’à un niveau de maintien.

Text est la température régnant à l’extérieur du véhicule, et Tsp est la température de consigne souhaitée à l’intérieur de la caisse (chambre de stockage des produits).

- COP = b * n * (Text-Tsp) : c’est la consommation intervenant durant la ou les (n) ouvertures de portes prévues(s) durant la tournée du fait des entrées de chaleur inhérentes.

A titre illustratif on considère qu’une ouverture de porte dure chaque fois 2 mn.

- CEC = 0.0024 * t * S * (Text-Tint) : c’est la consommation intervenant du fait des pertes thermiques (échanges thermiques) du véhicule avec l’extérieur. En effet, la température extérieure étant supérieure à la température interne du camion, il y a naturellement un flux thermique pénétrant la caisse à travers ses parois, la puissance thermique de cet apport est proportionnel à la surface extérieure de la caisse isotherme du camion, le coefficient de la résistance thermique des parois (considérée à une valeur standard de 0.36W/m²K) et de la différence de température interne-externe. Autrement dit, dans ce terme de l’équation, on tient compte de la quantité de neige nécessaire pour « neutraliser » ces apports thermiques.

Tint est la température mesurée à l’intérieur de la caisse, n est le nombre d’ouvertures de porte intervenant sur la tournée considérée, t est le temps de la tournée en heures, S est la surface intérieure de la caisse en m², a et b sont des coefficients intrinsèques de la caisse isotherme du véhicule, exprimés en kg/°C.

Les coefficients a et b correspondent respectivement à la consommation de neige carbonique nécessaire pour abaisser la température interne de la caisse d’un °C durant une phase de descente rapide et après une ouverture de porte, ce sont des coefficients intrinsèques aux caractéristiques techniques du véhicule utilisé.

Le coefficient 0.0024 (kg/h/m²/°C) correspond au ratio entre la conductivité thermique du corps de la caisse (par exemple 0.36 W/m².K) et la chaleur latente du cryogène, par exemple du CO₂.

La figure 1 annexée permet de mieux visualiser ce que l’on entend selon la présente invention avec ces trois phases.

On visualise sur la figure les périodes de temps correspondant aux grandeurs CEC, CPD et COP, et les phases A, B, C correspondent respectivement à :

A : la phase de descente rapide de l’air à l’intérieur de la caisse ;

B : la phase de descente rapide du corps de la caisse ;

C : une phase durant laquelle interviennent des ouvertures de portes.

Afin de mieux comprendre la proposition selon l’invention on détaille dans ce qui suit un exemple de mise en œuvre dans le cas de CO₂.

On a évalué les consommations CPD et COP dans le cas d’un véhicule prototype dont la caisse a une capacité de 16 m³, en mettant en place des scénarios de tournée complets, avec une évaluation de la consommation par pesée pour chaque phase.

Ces simulations ont permis l’évaluation des coefficients a et b pour le prototype de véhicule utilisé.

Le tableau ci-dessous présente les résultats comparatifs obtenus, d’une part par calcul à l’aide de la formulation développée ci-dessus, et d’autre part expérimentalement par pesée.

On a considéré ici une consigne Tsp de 2°C, une température Text de 22°C, une température Tint de 2,5°C, et l’intervention de 15 ouvertures de porte, durant chacune 2mn.

Consommation de neige CO ₂ durant une tournée (en kg)
Evaluation Expérimentale par pesée	Prédiction par équation
58	53

En considérant les résultats obtenus lors de trois essais en pesée, et en comparant avec les résultats de l’équation, on en déduit que la précision fournie par l’équation est voisine de 10%.

On sait qu’en pratique, lors de tournées “réelles”, il peut intervenir des ouvertures de portes qui durent plus de 2 minutes, comme dans le cas d’un client effectuant de la collecte de produits thermosensibles en fin de tournées (par exemple dans la gamme 2 à 20 mn), d’où l’intérêt d’une équation ayant une variable pour cette ouverture de portes.

Selon une mise en œuvre avantageuse de l’invention, on utilise un facteur COP qui va dépendre du temps d’ouverture de porte (DOP) de la façon suivante :

- les essais d’estimation de la consommation en CO₂pour des ouvertures de porte durant de 2 à 20 minutes, ont montré que les coefficients b, correspondant à la consommation pour faire baisser la température de 1°C après une ouverture de porte, pouvaient être corrélés à la durée d’ouverture de la façon suivante :

b = (c * DOP) + d

(DOP: durée d’ouverture en minutes)

Ainsi pour l’ouverture i : COPi = ((c * DOPi) + d) * (Text-Tsp)

- et donc COP (total) = ∑COPi

La consommation en CO₂évaluée en intégrant des ouvertures variables dans la gamme de 2 à 20 minutes peut alors s’exprimer ainsi :

C = [a * (Text-Tsp)] + [∑((c * DOPi) + d) * (Text-Tsp)] + [0.0024 * t * S * (Text-Tint)]

On conçoit que le paramètre de température extérieure au camion est prépondérant, on propose donc l’approche avantageuse suivante, qui consiste à considérer les prévisions météo intervenant dans la fenêtre de temps où doit se dérouler la tournée.

A titre d’exemple, pour une tournée intervenant en première moitié de journée, on va considérer la température moyenne extérieure pour la demi-journée en question (typiquement entre 5h du matin et midi) et non la moyenne sur toute la journée.

Toujours à titre illustratif, on peut remplacer dans la consommation CPD le terme Text (température extérieure au camion) par la température réelle initiale dans la caisse juste avant le chargement du ou des échangeurs en neige.

En première approximation cette température réelle intérieure est identique ou voisine de la température régnant à l’extérieur si le véhicule est laissé en conditions extérieures dans les heures précédant la tournée, et si l’échangeur est vide de tout reste de neige, néanmoins si l’une ou l’autre de ces conditions n’est pas remplie, la considération de la température réelle interne avant chargement de la neige apporte une meilleure précision.

La présente invention permet de calculer la consommation en cryogène, par exemple en neige CO₂avant la tournée, pour évaluer la quantité de neige nécessaire, mais elle permet également de calculer à bord la consommation réelle (instantanée) à l’instant t, Ct , et comparer cette consommation à la consommation C initialement calculée, pour en déduire ce qui reste comme cryogène dans le réservoir, ce qui permet à l’opérateur d’être informé en temps réel et de pouvoir réagir le cas échéant.

Ce qui suit permet de mieux comprendre cela.

A l’instant t un calcul est refait avec une reconsidération des termes COP (on ne comptabilise que les ouvertures de portes réalisées jusqu’à l’instant t) et du terme CEC (en prenant les entrées de chaleur intervenues jusqu’à l’instant t). Text et Tint sont aussi les moyennes enregistrées jusqu’à l’instant t. Le terme CPD reste inchangé.

Par exemple si on fait une évaluation du résiduel après 4h de tournée pendant lesquelles il y’a eu 5 ouvertures de portes :

COP(4h)= b*5*(Text_(moyt)-TSP)

CEC(4h)= 0.0024 * 4 * S * [Text_(moyt)-Tint_(moyt)].

Delta C = C-Ct = (CPD +COP + CEC) - (CPD +COP(t) + CEC(t))

La régulation de température peut être reliée à cette comparaison embarquée et réagir en conséquence.

Considérons l’exemple suivant : à l’issue d’une tournée, et dans une recherche classique d’économie de fluide, il est possible d’opérer le système de régulation de température en mode « dégradé » (en tolérant un certain écart à la consigne) ou au contraire l’opérateur peut décider d’effectuer des ouvertures de portes additionnelles non programmées initialement.

Selon un des modes de mise en œuvre de l’invention, on ajuste les coefficients a, b, c et d, en comparant les quantités de neige prédites par l’équation avec les consommations réelles quotidiennement connues lors du remplissage via la station, ce qui permet ainsi ce que l’on peut qualifier d’apprentissage intelligent de la machine (on dit dans les pays anglo-saxons « machine learning ») qui moyennant un traitement des données sur une période d’exploitation de quelques mois par exemple permet d’affiner encore davantage la prédiction de la consommation du CO₂.

Claims

Procédé de suivi 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’un système d’échangeur thermique dans lequel circule un fluide cryogénique ou dans lequel est chargé un fluide cryogénique, système d’échangeur comprenant un ensemble d’un ou plusieurs échangeurs ;

ainsi que le cas échéant d’un système de circulation d’air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l’air interne à la chambre avec les parois froides des échangeurs de l’ensemble,
et où l’on dispose d’une réserve dudit fluide cryogénique,
se caractérisant en ce que l’on dispose d’un calculateur et en ce que l’on procède à l’aide de ce calculateur à une évaluation de la consommation théorique C de fluide cryogénique devant intervenir durant une tournée donnée de distribution de produits, calcul qui prend en compte notamment les paramètres suivants :
des conditions d’opération du camion parmi la ou les températures de consigne devant régner à l’intérieur de la ou lesdites chambres de stockage, la température mesurée à l’extérieur du camion durant le trajet, le temps de trajet, et le nombre d’ouvertures de porte(s) du camion qui interviendront durant la tournée ;

les caractéristiques techniques de la solution d’injection indirecte mise en œuvre par le camion parmi les dimensions de la caisse de stockage du camion, l’isolation thermique, le nombre et type d’échangeurs du système d’échangeur thermique ;
la consommation C étant évaluée par l’équation suivante :

C=CPD + COP + CEC
Où

- CPD = a *(Text-Tsp), est la consommation intervenant en descente rapide pour le refroidissement de l'air de la chambre à la consigne souhaitée et pour le refroidissement des parois de la chambre:
- Text est la température régnant à l’extérieur du véhicule ou la température initiale dans la caisse juste avant le démarrage de la tournée et Tsp est la température de consigne souhaitée à l’intérieur de la chambre de stockage des produits ;
-   a est un coefficient intrinsèque correspondant à la consommation de cryogène nécessaire pour abaisser la température interne de la caisse d’un °C durant une phase de descente rapide.

- COP  = b * n * (Text-Tsp) : la consommation intervenant durant les (n) ou l' (n=1) ouverture(s) de porte prévue(s) durant la tournée du fait des entrées de chaleur inhérentes;
où
- Text est la température régnant à l’extérieur du véhicule ;
-  COP = ∑COPi =  ∑((c * DOPi) + d) * (Text-Tsp);
telle qu’obtenue en   intégrant des durées d’ouvertures de porte (DOPi) variables dans une gamme de durées donnée;

- CEC = 0.0024 * t * S * (Text-Tint) : la consommation intervenant du fait des pertes thermiques du véhicule avec l’extérieur
où  Text est la température régnant à l’extérieur du véhicule,  Tint est la température mesurée à l’intérieur de la caisse, t est le temps de la tournée en heures, et S est la surface intérieure de la caisse en m².
Procédé selon la revendication 1, se caractérisant en ce que l’on procède à l'aide du calculateur, à un instant t d’une tournée du camion, à une mesure de la consommation de fluide cryogénique en temps réel, par exemple par une mesure du niveau de fluide dans la dite réserve, et en ce que l'on calcule l’écart entre ladite mesure de consommation et ladite consommation calculée C.
Procédé selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que l’on ajuste les coefficients a, b, c et d, en comparant les quantités de cryogène, par exemple de neige, prédites par l’équation avec les consommations réelles quotidiennement connues lors du remplissage via la station, ce qui permet ainsi ce que l’on peut qualifier d’apprentissage intelligent du système.