WO2003031891A1

WO2003031891A1 - Procede et installation de prediction de la temperature d'articles traversant une enceinte de refroidissement

Info

Publication number: WO2003031891A1
Application number: PCT/FR2002/003371
Authority: WO
Inventors: Bernard Delpuech; Pascal Favier; Sylvain Fourage
Original assignee: L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2003-04-17
Also published as: JP2005504952A; CA2462399A1; US20040237547A1; FR2830608A1; FR2830608B1; EP1459022A1

Abstract

Ce procédé de prédiction de la température d'articles (P) traversant une enceinte (2) d'une installation de refroidissement utilisant un fluide de refroidissement (4), comporte une étape de prédiction de la température d'articles (P) en sortie d'une enceinte (2). Ladite prédiction est calculée à partir de grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite enceinte (2), de caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte (2) et de caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles (P). Application au pilotage de tunnels de surgélation alimentaire.

Description

Procédé et installation de prédiction de la température d'articles traversant une enceinte de refroidissement

La présente invention est relative à un procédé de prédiction de la température d'articles subissant un refroidissement thermique. L'invention s'applique par exemple aux installations de surgélation d'articles alimentaires.

Les installations connues de surgélation comportent, par exemple, une enceinte ou tunnel, de surgélation traversé de part en part par un convoyeur à bandes sur lequel sont déposés les articles à congeler, le convoyeur circulant en continu ou séquentiellement au travers du tunnel de surgélation.

Un tunnel cryogénique utilise un fluide inerte à basse température qui échange de la chaleur directement par contact avec les produits à surgeler.

De manière classique, un tunnel cryogénique utilise soit la neige carbonique (-80°C), soit de l'air liquide, soit l'azote liquide (-196°C) comme vecteur de froid. La neige carbonique permet le transport de produits frais ou surgelés sans crainte de rupture de la chaîne de froid. L'azote et l'air liquide permettent soit la surgélation individualisée de produits alimentaires, soit le durcissement de produits fragiles, déformables ou collants ( du type crème glacée ...).

Si l'on examine le système constitué du tunnel et de la charge de pro- duits, plusieurs paramètres peuvent influer sur la température du produit en sortie : le débit de production qui, pour un taux de chargement donné, implique une variation du temps de séjour dans l'enceinte, le débit du fluide qui agit sur le profil des températures, la température d'entrée du produit, le profil convectif de l'enceinte, et le taux de chargement. Le système est donc un système multivariables et un procédé de refroidissement ne peut pas prendre en compte ces éléments dans une simple boucle de rétroaction.

La principale difficulté pour corriger les écarts de consigne est liée au fait qu'il n'existe pas aujourd'hui dans le commerce, de capteurs capables de mesurer en continu et sans contact, la température interne des produits.

Dans les procédés de prédiction de l'état de la technique, afin de traiter des systèmes monovariables, on a été amené à considérer le profil convectif et le taux de chargement comme constants, et à fixer le débit de production, la température des produits en entrée de l'enceinte de surgélation ainsi que les autres paramètres de fonctionnement des installations.

On agit alors par exemple sur le débit du fluide cryogénique afin de définir le profil moyen des températures du fluide dans le tunnel et régler ainsi la température du produit en sortie.

Les conditions opératoires et les consignes de régulation sont définies dans des recettes créées de manière expérimentale. Une recette mémorise les paramètres de réglage du tunnel pour une production donnée.

Si les conditions de production viennent à varier, on ne laisse que très peu d'autonomie à l'opérateur pour modifier les paramètres, il ne peut que charger une nouvelle recette.

Un système existant décrit dans le brevet français FR-A-2 760 272, met en œuvre un procédé permettant la prédiction de la température des articles en sortie de l'enceinte. Cependant, cette prédiction est basée sur une valeur représentative de la quantité d'articles traités et sur la quantité de fluide cryogénique avec lequel les articles sont mis en présence. Une telle prédiction est donc très approximative.

Il apparaît que les procédés existants présentent une certaine instabili- té au fonctionnement, des difficultés de réglage importantes et une faible capacité d'adaptation aux conditions de fonctionnement.

La présente invention vise à remédier à ces problèmes. A cet effet, elle a pour objet un procédé de prédiction de la température d'articles traversant d'une entrée à une sortie, une enceinte d'une installation de refroidissement, qui utilise un fluide de refroidissement, lequel procédé comporte une étape de prédiction de la température d'articles en sortie de ladite enceinte, caractérisé en ce que ladite prédiction est calculée à partir de grandeurs caractéristiques de fonctionnement de ladite enceinte, de caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte et de caractéristiques thermody- namiques et physiques desdits articles.

Suivant d'autres caractéristiques :

- au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation est saisie manuellement ; - au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation est relevée automatiquement ;

- au moins des caractéristiques thermodynamiques dudit fluide de refroidissement et lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques de la- dite enceinte, sont utilisées pour effectuer une prédiction du comportement de ladite enceinte fondée sur la résolution de bilans thermiques sur des tranches élémentaires du volume de ladite enceinte ;

- ladite prédiction du comportement de ladite enceinte utilise en outre, lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation ; - lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation représentent au moins l'un des éléments choisis dans le groupe consistant en :

- la vitesse d'un convoyeur de transport desdits articles au travers de ladite enceinte ; - le taux de chargement ; et

- la ventilation de l'atmosphère de ladite enceinte ;

- ladite prédiction du comportement de ladite enceinte est corrigée sur la base de relevés expérimentaux du profil des températures qui régnent dans ladite enceinte ; - au moins lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles sont utilisées pour effectuer une prédiction du comportement desdits articles fondée sur la résolution de l'équation de conservation de la chaleur discrétisée et appliquée à un réseau de points spatiaux et temporels constituant un maillage desdits articles ; - ladite prédiction du comportement desdits articles utilise en outre, lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation ;

- lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation comprennent la température desdits articles en entrée de ladite enceinte ; - ladite prédiction du comportement desdits articles est optimisée par des calculs de modification dudit maillage desdits articles selon des suites mathématiques ;

- ladite prédiction du comportement desdits articles est optimisée par suppression des calculs de prédiction pour des points spatiaux et temporels dudit maillage desdits articles pour lesquels les variations d'enthalpie sont inférieures à un seuil prédéterminé ;

- ladite prédiction de la température desdits articles en sortie de ladite enceinte est fondée sur ladite prédiction du comportement de ladite enceinte ain- si que sur ladite prédiction du comportement desdits articles ;

- ladite prédiction de la température des articles prend en compte une mesure expérimentale de cette température.

La présente invention à également pour objet un procédé de refroidissement d'articles traversant d'une entrée à une sortie, une enceinte d'une instal- lation de refroidissement desdits articles (P) qui utilise un fluide de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de prédiction de la température desdits articles selon l'invention ;

Selon une autre caractéristique de l'invention, ladite prédiction est réalisée par une réitération de la prédiction du comportement de ladite enceinte et de la prédiction du comportement desdits articles, ledit procédé comportant une étape de modification d'au moins un des paramètres choisis dans le groupe consistant en :

- le débit dudit fluide de refroidissement ;

- le temps de séjour desdits articles dans ladite enceinte ; - le débit de gaz extrait de ladite enceinte ;

- la mise en vitesse des gaz ;

- la recirculation des gaz ; et

- la balance entre les entrées d'air et les sorties de gaz, jusqu'à l'obtention d'une valeur théorique de la température desdits articles en sortie de ladite enceinte, proche d'une consigne.

La présente invention a également pour objet un dispositif de prédiction de la température d'articles traversant une installation, comportant une enceinte de refroidissement qui utilise un fluide de refroidissement comportant des moyens de prédiction de cette température, caractérisée en ce que lesdits moyens de prédiction comportent des moyens de calcul qui utilisent des grandeurs caractéristiques du fonctionnement de l'installation, des caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte et des caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles. La présente invention a également pour objet une installation de refroidissement d'articles comportant une enceinte de refroidissement desdits articles qui utilise un fluide de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de prédiction de la température desdits articles selon l'invention. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention :

- ledit fluide de refroidissement est injecté dans ladite enceinte et échange de la chaleur avec lesdits articles par contact direct ;

- ledit fluide de refroidissement circule dans un dispositif d'échange de chaleur compris dans ladite enceinte, et échange indirectement de la chaleur avec lesdits articles au travers dudit dispositif d'échange de chaleur.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :

- la Fig.1 représente un schéma synoptique illustrant une installation mettant en œuvre un procédé selon l'invention ;

- la Fig.2 illustre la modélisation numérique des articles à traiter ;

- la Fig.3 illustre la modélisation numérique de l'enceinte de refroidissement ; et

- la Fig.4 représente l'organigramme du couplage du modèle de l'enceinte et du modèle des articles.

Sur la figure 1 , on a représenté une installation de traitement d'articles alimentaires équipée pour mettre en œuvre un procédé selon l'invention.

Cette installation comprend une enceinte ou tunnel cryogénique 2, de type classique, permettant la congélation d'articles alimentaires P par leur mise en présence avec un fluide cryogénique 4 véhiculé par une ligne d'alimentation 5, à partir d'une source quelconque.

Par exemple, le tunnel 2 a une forme de parallélépipède rectangle.

Comme cela est dit précédemment, le fluide cryogénique 4 utilisé peut être par exemple, de la neige carbonique ou de l'azote liquide. Ce tunnel 2 est associé à un convoyeur 6 de type classique, permettant l'introduction des articles P dans l'enceinte 2 et leur extraction et fonctionnant soit de manière séquentielle, soit de manière continue.

L'installation est équipée de moyens de mesure 8 de caractéristiques relatives à celle-ci. Ils délivrent par exemple le profil des températures dans l'enceinte 2 et la vitesse de déroulement du convoyeur 6. Cette dernière information mise en relation avec la longueur de l'enceinte 2 permet d'obtenir le temps de séjour des produits P dans l'enceinte 2.

L'installation est en outre équipée de moyens de saisie 10 par un opé- rateur de paramètres de fonctionnement, comme par exemple la température d'entrée dans l'enceinte 2 des produits P.

Dans une autre version de l'installation, les paramètres de fonctionnement cités, à savoir le profil des températures, le temps de séjour ou la vitesse de déroulement, et la température d'entrée des produits P, sont répartis diffé- remment entre la mesure et la saisie manuelle.

On peut aussi avoir le cas où tous les paramètres de fonctionnement sont mesurés et le cas ou tous sont saisis manuellement.

L'installation comporte enfin des moyens de commande 12 de la quantité de fluide cryogénique 4 injectée dans l'enceinte 2. Ces moyens 12 comportent des moyens de pilotage 14 du débit de fluide cryogénique 4. Par exemple, les moyens de pilotage 14 sont constitués par des systèmes d'électrovannes ou des vannes proportionnelles de type classique, disposés sur la ligne d'alimentation 5 en fluide cryogénique 4.

Le fluide 4 est injecté en un ou plusieurs endroits de l'enceinte 2. Les moyens de pilotage 14 sont commandés par la sortie de moyens de comparaison 16, lesquels sont reliés en entrée à des moyens d'entrée 18 d'une consigne portant sur la température des articles en sortie de l'enceinte 2 et à des moyens de prédiction 20 de cette température .

Le pilotage du débit de fluide cryogénique 4 injecté dans une installa- tion telle que celle décrite, sur la base d'une comparaison entre une consigne et une prédiction de la température de sortie des articles, est considéré comme connu et ne sera pas décrit plus en détail.

Avantageusement, l'installation comporte également un système de ventilation de gaz contrôlant les flux de gaz et la ventilation de l'atmosphère de l'enceinte 2.

Par exemple, ce système est composé de ventilateurs spécifiques permettant la mise en vitesse des gaz, de ventilateurs contrôlant la recirculation des gaz et d'une combinaison entre des ventilateurs et des portes mobiles contrôlant la balance entre les entrées d'air et les sorties de gaz. Dans le cadre de l'invention, les moyens de prédiction 20 de la température des articles P en sortie de l'enceinte 2, comportent des moyens de prédiction ou predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2, et des moyens de prédiction ou predicteur 24 du comportement des articles P. Les moyens de prédiction 22 du comportement de l'enceinte 2, permettent de prédire par calcul, tel que cela est décrit plus loin en référence à la figure 3, le profil théorique des températures du fluide cryogénique 4 à l'intérieur de l'enceinte 2.

Les résultats délivrés par les moyens de prédiction 22 dépendent des caractéristiques thermodynamiques du fluide cryogénique 4, des caractéristiques convectives de l'enceinte 2, ainsi que des caractéristiques des moyens d'injection du fluide cryogénique 4 dans l'enceinte 2, des caractéristiques du système de ventilation et des caractéristiques physiques de l'enceinte 2.

Dans la version décrite de l'invention, les moyens de prédiction 20 comportent également des moyens de correction 26 du predicteur 22 de comportement de l'enceinte 2.

Ces moyens de correction 26 permettent de prendre en compte, dans les calculs du predicteur 22, des éléments caractéristiques du fonctionnement de l'installation, tels que par exemple la vitesse du convoyeur 6, des relevés de tem- pérature à l'intérieur de l'enceinte 2, la température du fluide cryogénique 4 récupérée après le traitement des articles P, ou les pertes thermiques de l'enceinte 2. Les données injectées dans le predicteur 22 grâce aux moyens de correction 26 peuvent être saisies manuellement à travers les moyens de saisie 10 ou mesurées par les moyens de mesure 8. Par exemple, on dispose d'une série de sondes à l'intérieur de l'enceinte 2 qui permettent d'établir un profil expérimental des températures du fluide cryogénique 4 dans l'enceinte 2.

On compare ensuite ces résultats aux résultats théoriques et on définit le schéma d'une courbe de calage qui permet d'ajuster les valeurs théoriques délivrées par le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2.

Les moyens de prédiction 24 du comportement des articles P, permettent de déterminer par calcul, tel que cela est décrit plus loin en référence à la figure 2, les variations d'enthalpie des articles P en fonction de leur environnement extérieur et de leur température initiale. Les résultats délivrés par le predicteur 24, dépendent des caractéristiques physiques et thermodynamiques des produits P.

Dans la version décrite de l'invention, les moyens de prédiction 20 comportent également des moyens d'optimisation 28 des calculs du predicteur 24 du comportement des produits P, dont le fonctionnement est décrit plus loin en référence à la figure 2.

Des moyens de couplage 30, décrits plus en détail en référence à la figure 4, permettent de lier les résultats délivrés par le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2 et ceux délivrés par le predicteur 24 du comportement des articles P et de délivrer une température théorique des articles P en sortie de l'enceinte 2.

Ainsi, la prédiction mise en œuvre par les moyens de prédiction 20 de la température des articles P en sortie de l'enceinte 2 prend en compte les caractéristiques thermodynamiques et physiques de l'enceinte 2 et des produits P, ain- si que les grandeurs caractéristiques du fonctionnement de l'installation.

De ce fait, la détermination de la température des articles P en sortie de l'enceinte 2 est dynamique, facilement paramétrable et aisément adaptable aux conditions de fonctionnement de l'installation.

Sur la figure 2, on a représenté un exemple de maillage d'un article alimentaire P.

La prise en compte dans le procédé de refroidissement des caractéristiques thermodynamiques et physiques des articles P est réalisée par le predicteur 24 du comportement des articles P, et est basée sur une modélisation des articles P à laquelle est appliquée l'équation de conservation de la chaleur discrétisée.

En effet, l'équation de la conservation de la chaleur ne peut pas être résolue en tout point de l'espace et en tout instant, par une fonction intégrale simple.

La méthode employée consiste à discrétiser cette équation de sorte que l'on ne la résout plus que sur des points spatiaux et temporels appelés nœuds et désignés par la référence générale 32.

Après définition d'un maillage de l'article P, on applique l'équation de conservation de la chaleur à chacun des nœuds 32. On obtient ainsi un système d'équation qu'il faut résoudre pour connaître l'état thermique de l'article P dans le temps et dans l'espace.

X, Y et Z sont des axes définissant un repère spatial orthonormé au- tour de l'article P. T est la température de l'article P exprimée en kelvin (K), et C sa chaleur spécifique exprimée en watt par kilogramme et par kelvin (W/(Kg^*K)).

Les articles alimentaires P que l'on surgèle sont généralement constitués de corps différents.

Cela signifie que le changement de phase s'accompagne d'une varia- tion de température et que l'équation de la conservation de la chaleur peut toujours s'appliquer.

En revanche, si l'on est amené à traiter un corps pur, l'équation n'est plus continue. Dans ce cas, on simplifie le problème en modifiant la table d'enthalpie du corps pur pour que le changement de taille engendre une faible variation de température.

La discrétisation est faite grâce à la méthode mathématique des différences finies en régime variable.

De manière connue, celle-ci peut être effectuée de deux manières.

La première, la discrétisation implicite, a l'avantage d'être stable quelle que soit la configuration spatiale et temporelle. A un instant donné, elle permet de déterminer la température d'un nœud 32 en fonction de la température des noeuds voisins au même instant. Elle implique cependant des conditions aux frontières constantes et une résolution matricielle du système d'équation formé par chacun des nœuds 32. La seconde, la discrétisation explicite, permet de déterminer directement le température d'un nœud 32 à un instant T+ΔT d'après les conditions à l'instant T. Le résultat est immédiat, en revanche, il faut choisir un pas de temps adapté de manière à éviter l'instabilité du modèle.

La première méthode est préconisée dans le cas où l'on cherche à ob- tenir principalement la température de surface d'un produit, ce qui correspond à l'opération communément appelée opération de « croûtage ». La seconde est préconisée lorsque l'on veut faire de la surgélation et connaître la température à cœur d'un produit. Le maillage du produit P, est un problème crucial. De cela dépend directement la simplicité du traitement ultérieur et la précision des résultats.

Un nombre de nœuds important amène une grande précision dans le résultat mais impose un temps de calcul élevé. Il s'agit de trouver un compromis entre la précision et le temps de calcul.

Par exemple, pour le cas d'un produit alimentaire de dimensions extérieures 100 x 60 x 10 mm avec un maillage régulier tous les millimètres, il faut plus de 17000 nœuds et autant d'équations pour définir le comportement de l'article P. Dans la version décrite de l'invention, on dispose de moyens d'optimisation 28 des calculs qui permettent d'optimiser le maillage qui est effectué dans le predicteur 24 du comportement des articles P.

Par exemple, dans le cas du croûtage, on surveille plus particulièrement la solidification d'une fine épaisseur de la peau du produit par changement de phase. Il faut donc un maillage dense en périphérie et plus large à cœur.

Pour ne pas saisir manuellement les coordonnées de chacun des nœuds et pour conserver des relations simples entre les nœuds et faciliter le traitement, une solution consiste à distribuer des nœuds dans chaque direction de l'espace à l'aide par exemple d'une progression géométrique, comme cela est représenté sur la figure 2.

Par exemple, sur l'axe X, on distribue les nœuds de la manière suivante : on considère Δx la valeur du premier terme qui correspond à l'abscisse du premier nœud, et r la raison, différente de 1 , de la suite géométrique mis en œuvre. La valeur du n^{e θ} terme est : Δx^*r^n"1., cela correspond à la position sur l'axe X du n^ème nœud. La somme des n premiers termes est : î - "

S = Ax + £- i-r La figure 2 représente le positionnement des nœuds selon ce maillage sur un article P parallélépipédique où l'on a imposé une condition de parité sur le nombre de nœuds de manière à simplifier la résolution. On obtient ainsi une valeur correspondant à la dimension de l'article P selon l'axe X :

avec R ι-_r

1 + ;

Avec I qui correspond à l'abscisse du nœud central sur cette longueur

L'imprécision sur l'axe X s'exprime alors de la manière suivante

\ -2 - 1

Pour aboutir à des calculs simples on fixe les imprécisions sur les trois axes à une même valeur. Cela induit une erreur sur les dimensions de l'article P qui est acceptable dans le cas où l'on s'intéresse uniquement aux températures sur une faible épaisseur de peau et que les températures à cœur varient peu, comme cela est le cas dans les opérations de croûtage.

Dans le cas des opérations de surgélation où l'on cherche à déterminer la température à cœur du produit, un terme correctif peut être inséré dans les formules. Dans le cas de l'axe X, on insère le terme correctif suivant :

Ax'= M)

Une autre méthode d'optimisation possible, consiste à diminuer le temps de traitement en omettant certains calculs.

En effet, sur chaque nœud, on additionne le flux thermique aux six faces de son volume élémentaire. Cependant, il existe des zones où les effets thermiques sont assimilables à des problèmes monodimensionnels.

Pour exploiter cette particularité, on décompose le traitement en sommant non plus globalement les flux thermiques sur chaque face, mais selon chaque direction. Sur chaque direction, on résout, pour un pas de temps ΔT, les équations aux nœuds en allant de la frontière vers le cœur, jusqu'à ce que la va- riation d'enthalpie soit considérée comme étant négligeable car inférieure à un seuil prédéterminé.

En effectuant cette opération dans chaque direction, on définit un volume du produit P englobant tous les nœuds pour lesquels les variations d'enthalpie seront négligeables, et donc pour lesquels aucun calcul ne sera fait.

On peut ainsi économiser du temps de calcul, surtout dans les premiers instants de l'échange.

Dans le cas où l'article P est de forme complexe, on peut le décomposer en un ensemble de formes élémentaires auxquelles on applique le maillage défini ci-dessus ou tout autre maillage adapté à la forme de l'article P.

Les moyens de prédiction 24 du comportement des articles P ainsi que les moyens d'optimisation 28 des calculs sont, par exemple, mis en œuvre par des moyens logiciels.

Sur la figure 3, on a représenté schématiquement l'enceinte de traite- ment des articles alimentaires.

La prise en compte, dans le procédé de refroidissement des caractéristiques thermodynamiques et physiques de l'enceinte 2 est réalisée par le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2, et est basée sur une modélisation de l'enceinte 2 sous forme de tranches élémentaires. Comme cela a été décrit précédemment en référence à la figure 1 , l'enceinte 2 de refroidissement est associée à un convoyeur 6. Elle est alimentée en fluide cryogénique 4 via à une ligne d'alimentation 5. L'enceinte 2 est assimilée à un parallélépipède rectangle.

Pour déterminer le profil théorique des températures du fluide 4, la mé- thode mise en œuvre par le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2 consiste à effectuer une succession de bilans thermiques locaux.

Dans ce but, on considère une modélisation du système thermodynamique du tunnel 2, en régime établi, sous la forme de tranches élémentaires 34ι à 34_n, perpendiculaires à la longueur de l'enceinte 2. La somme de ces tranches élémentaires 34τ à 34_n, représente le volume interne de l'enceinte 2.

Pour chaque tranche élémentaire 34ι à 34_n, on effectue le bilan des transferts thermiques afin de déterminer l'enthalpie du fluide 4 et donc sa température.

Ce bilan doit tenir compte : - des déperditions thermiques avec l'extérieur du tunnel 2 ;

- du liquide cryogénique 4 injecté dans les zones de pulvérisation ; et

- des échanges entre les produits P et le fluide 4.

Dans le cas de la tranche 34j du tunnel de dimensions LTh, le bilan thermique se traduit par l'équation suivante :

Dans cette équation : _m correspond à l'enthalpie du fluide cryogénique 4 en sortie de la tranche élémentaire 34j exprimé en joules par kilogramme (J/Kg) ; H _Me, correspond à l'enthalpie du fluide cryogénique 4 en entrée de la tranche élémentaire 34j exprimée en joules par kilogramme (J/Kg) ; correspond à l'enthalpie liquide du fluide cryogénique 4 injecté exprimée en joules par kilogramme (J/Kg) ;

]-[ correspond à l'enthalpie de l'article P en entrée de la tranche 34j exprimée en joules par kilogramme (J/Kg) ;

H correspond à l'enthalpie de l'article P en sortie de la tranche

34j exprimée en joules par kilogramme (J/Kg) ;

]ζ_τ correspond au coefficient d'échange thermique du tunnel 2 avec l'extérieur exprimé en watt par mètre carré et par kelvin (W/(m²K)) ; m __ correspond au débit massique de fluide cryogénique 4 vaporisé dans la tranche 34j exprimé en kilogramme par seconde (Kg/s) ; _jjl correspond au débit massique de fluide cryogénique 4 entrant dans la tranche 34ι exprimé en kilogramme par seconde (Kg/s) ;

YYl correspond au débit massique de produits à traiter exprimé en ki- logramme par seconde (Kg/s) ; ¹ _Amb correspond à la température ambiante exprimée en kelvin ; et y correspond à la température du fluide cryogénique 4 en entrée de la tranche 34| exprimée en kelvin.

Sur la figure 3 on a également représenté les flux thermiques : th _r H _t ^est représenté P^ar '^{a lettre} A ;

rh_m H _MO ^{est re}P^résenté P^{ar la lΘttre B} : m_mH_m ^est représenté par la lettre C ;

m H _{e( .} ^{est re}P^résenté par la lettre D ; et

m H _d) ^est représenté par la lettre E ;

Par expérience, on sait que dans certaines conditions de fonctionnement (débit de production trop faible ou température du fluide cryogénique 4 trop basse), le liquide cryogénique 4 injecté n'est que partiellement vaporisé et une fraction du liquide s'écoule vers l'entrée de l'enceinte 2.

Si l'on souhaite prendre en compte ce phénomène, il est préférable de résoudre les bilans locaux en commençant par la tranche élémentaire située en sortie du tunnel. On fait donc les calculs dans le sens inverse du trajet des produits P soit selon l'axe X tel que représenté sur la figure 3. Dans ce sens en effet, on peut reporter la fraction de liquide non vaporisé dans la suivante et ainsi de suite jusqu'à atteindre les zones de ventilation où les débits injectés sont nuls et où les surplus liquides sont vaporisés.

Pour déterminer la fraction de liquide cryogénique 4 non vaporisé dans une tranche élémentaire, on désigne une enthalpie du fluide limite, en-dessous de laquelle apparaîtra un titre liquide.

Cela revient à fixer une température de fluide gazeux minimale dans le tunnel.

Le titre liquide non vaporisé en sortie de la tranche élémentaire 34j correspond à χ_L(i) et s'exprime sous la forme suivante :

_. - WlfLtqV)

Ytt fs(i)

Si on simplifie les calculs en considérant que l'enthalpie de cette fraction liquide est sensiblement égale à l'enthalpie du fluide cryogénique 4 injecté, on obtient l'expression du titre du liquide suivante :

Dans cette équation, fj _{J m} correspond à l'enthalpie limite de formation d'un titre liquide dans une tranche élémentaire du tunnel 2.

Sur la figure 4, on a représenté le fonctionnement des moyens 20 de prédiction de la température des articles P en sortie de l'enceinte 2.

Afin de pouvoir réaliser une prédiction de la température des articles P en sortie de l'enceinte 2, le procédé de refroidissement fait intervenir la prédiction du comportement de l'enceinte 2 mise en œuvre par le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2 et la prédiction du comportement des articles mise en oeuvre par le predicteur 24 du comportement des articles P.

Dans l'installation décrite en référence à la figure 1 , cette étape est mise en œuvre par les moyens de couplage 30.

On commence par mettre en œuvre le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2, lors d'une étape 40. Celui-ci délivre les pertes thermiques 42 par tranche élémentaire qui sont réintroduites dans le predicteur 22.

Après avoir réitéré cette opération un certain nombre de fois, on obtient les pertes thermiques totales 44 ainsi que le profil 46 des températures du fluide 4 dans l'enceinte 2. Pour calculer le bilan thermique de chaque tranche, le predicteur 22 requiert les variations enthalpiques des articles P. De fait, lors de la première itération, le profil des températures du fluide 4 dans l'enceinte 2 ne pouvant pas être calculé, il est fixé arbitrairement.

On met ensuite en œuvre le predicteur 24 du comportement des arti- des P, lors d'une étape 50. Celui-ci délivre l'enthalpie 52 du produit P en sortie de l'enceinte 2, soit sa température.

Eventuellement, le predicteur 24 du comportement des articles P délivre également les variations enthalpiques 54 d'un article P pour chaque tranche élémentaire de l'enceinte 2. Dans ce cas, cette information est retournée au pré- dicteur 22 de comportement de l'enceinte 2 qui l'insère dans le bilan thermique de chaque tranche élémentaire. L'enthalpie 52 du produit P en sortie de l'enceinte 2 ainsi que le profil 46 des températures du fluide 4 dans l'enceinte 2 et les pertes thermiques totales 44, sont mis en relation afin de déterminer le débit total du fluide, à l'étape 60.

Eventuellement, on obtient également le débit 62 injecté dans chaque tranche élémentaire. Dans ce cas, cette information est retournée au predicteur 22 de comportement de l'enceinte 2 qui l'insère dans le bilan thermique de chaque tranche élémentaire.

On vérifie ensuite si le profil des températures du fluide 4 dans l'enceinte 2 est stable, à l'étape 80. Par exemple, le profil des températures du fluide est considéré comme stable s'il répond deux fois de suite aux critères suivants :

Dans cette équation, dif_profil est une constante fixée par l'opérateur. Au premier passage, le profil est considéré comme instable. Tant que le profil est considéré comme instable, on retourne à l'étape

40 et on recommence la succession d'opérations permettant de définir un profil.

Une fois qu'un profil stable a été obtenu, on vérifie si la consigne saisie par les moyens 10 d'entrée d'une consigne portant sur la température des produits P en sortie de l'enceinte 2 a été atteinte, à l'étape 80. Si la consigne a été atteinte, le dernier profil des températures du fluide 4 à l'intérieur de l'enceinte 2 est mis en œuvre, de manière classique, par la commande des moyens 14 de pilotage du débit de fluide 4, à l'étape 90.

Si la consigne n'a pas été atteinte, à l'étape 100, on applique une correction 102 sur le débit du fluide 4 avant de réitérer l'algorithme. Eventuelle- ment, on applique également une correction 104 directement sur le profil des températures du fluide 4, qui est injectée dans le predicteur 22 du comportement de l'enceinte 2.

Dans cet exemple, la prédiction de la température des articles en sortie de l'enceinte est utilisée pour effectuer une conduite automatisée d'une en- ceinte cryogénique 2 en influant sur le débit du fluide 4 injectée.

On peut de la même manière influer sur le temps de séjour des articles P dans l'enceinte 2 en modifiant la vitesse du convoyeur 6 ou les temps d'arrêt dans le cas d'un convoyeur séquentiel. On peut également agir sur la vitesse d'extraction des gaz ou sur le taux de chargement, ou sur une combinaison de ces paramètres.

De même, il est possible d'influer sur la balance entre les entrées d'air et les sorties de gaz, la vitesse d'extraction des gaz, la mise en vitesse des gaz, ou encore la recirculation des gaz en influant sur les éléments de contrôle de ces paramètres.

On peut imaginer que l'algorithme soit réitéré en permanence afin d'assurer le suivi continu des conditions de fonctionnement et permettre l'ajustement du profil des températures du fluide. On peut aussi imaginer la mise en œuvre de l'algorithme suite à la détection d'une modification des paramètres de fonctionnement.

Par ailleurs, on met en œuvre le procédé de l'invention dans une installation disposant de capteurs sans contact de la température des articles en sortie, par exemple des capteurs basés sur le rayonnement thermique ou l'image infrarouge, ou encore sur une mesure par thermométrie micro-onde (TMO), tel que le capteur décrit dans le brevet FR-A-2 771 552.

Les résultats délivrés par les moyens de prédiction de la température des articles en sortie de l'enceinte selon l'invention, sont alors recoupés avec les mesures délivrées par ces capteurs. Dans ce cas, on utilise l'une ou l'autre des informations pour vérifier l'autre, ou une moyenne des deux valeurs pour la conduite de l'installation.

Dans une autre situation, l'information délivrée par le capteur est utilisée pour corriger la prédiction. Avantageusement, la fréquence de mesure est inférieure à la fréquence de délivrance d'une prédiction. Bien qu'un mode particulier de réalisation ait été décrit, il n'est pas considéré comme limitatif de la portée de la présente invention.

Dans une autre version, l'installation est équipée de moyens de détermination de la valeur représentative de la qualité et/ou quantité d'articles traités, lesquels moyens sont reliés aux moyens de prédiction de la température des articles en sortie selon l'invention.

De plus, le procédé de refroidissement de l'invention peut aussi être appliqué dans une installation de froid mécanique présentant un dispositif d'échange de chaleur indirect. L'invention a été décrite dans le cas du refroidissement d'articles alimentaires, cependant on peut l'appliquer également à d'autres types d'articles notamment métalliques.

De plus, le terme refroidissement couvre également les systèmes vi- sant au maintien et au contrôle d'une température inférieure à la température initiale d'un article.

Par ailleurs, l'invention a été décrite dans le cadre d'une installation de refroidissement. Cependant, le procédé de prédiction de la température peut être mis en œuvre indépendamment des moyens de pilotage de l'enceinte par exemple dans le cadre du contrôle de la température.

L'invention permet notamment d'assurer la tracabilité des articles lors des opérations d'acquisition et de stockage en vue d'une offre de garantie qualité.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de prédiction de la température d'articles (P) traversant d'une entrée à une sortie, une enceinte (2) d'une installation de refroidissement qui utilise un fluide de refroidissement (4), lequel procédé comporte une étape de prédiction de la température d'articles (P) en sortie de ladite enceinte (2), caractérisé en ce que ladite prédiction est calculée à partir de grandeurs caractéristiques de fonctionnement de ladite enceinte (2), de caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte (2) et de caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles (P).

2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation est saisie manuellement.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation est relevée automatiquement.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que au moins des caractéristiques thermodynamiques dudit fluide de refroidissement (4) et lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte (2), sont utilisées pour effectuer une prédiction du comporte- ment de ladite enceinte (2) fondée sur la résolution de bilans thermiques sur des tranches élémentaires du volume de ladite enceinte (2).

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite prédiction du comportement de ladite enceinte (2) utilise en outre, lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation représentent au moins l'un des éléments choisis dans le groupe consistant en :

- la vitesse d'un convoyeur (6) de transport desdits articles (P) au travers de ladite enceinte (2) ; - le taux de chargement ; et

- la ventilation de l'atmosphère de ladite enceinte (2).

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite prédiction du comportement de ladite enceinte (2) est corri- gée sur la base de relevés expérimentaux du profil des températures qui régnent dans ladite enceinte (2).

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles (P) sont utilisées pour effectuer une prédiction du comportement desdits articles (P) fondée sur la résolution de l'équation de conservation de la chaleur discrétisée et appliquée à un réseau de points spatiaux et temporels constituant un maillage desdits articles (P).

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite pré- diction du comportement desdits articles (P) utilise en outre, lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation comprennent la température desdits articles (P) en entrée de ladite enceinte (2).

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que ladite prédiction du comportement desdits articles (P) est optimisée par des calculs de modification dudit maillage desdits articles (P) selon des suites mathématiques.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11 , carac- térisé en ce que ladite prédiction du comportement desdits articles (P) est optimisée par suppression des calculs de prédiction pour des points spatiaux et temporels dudit maillage desdits articles (P) pour lesquels les variations d'enthalpie sont inférieures à un seuil prédéterminé.

13. Procédé selon les revendications 4 et 8 prises ensembles, caracté- risée en ce que ladite prédiction de la température desdits articles (P) en sortie de ladite enceinte (2) est fondée sur ladite prédiction du comportement de ladite enceinte (2) ainsi que sur ladite prédiction du comportement desdits articles (P).

14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que ladite prédiction de la température des articles (P) prend en compte une mesure expérimentale de cette température.

15. Procédé de refroidissement d'articles (P) traversant d'une entrée à une sortie, une enceinte (2) d'une installation de refroidissement desdits articles (P) qui utilise un fluide de refroidissement (4), caractérisé en ce qu'il comporte une étape de prédiction de la température desdits articles (P) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ladite prédiction est réalisée par une réitération de la prédiction du comportement de ladite enceinte (2) et de la prédiction du comportement desdits articles (P), ledit procédé comportant une étape de modification d'au moins un des paramètres choisis dans le groupe consistant en :

- le débit dudit fluide de refroidissement (4) ;

- le temps de séjour desdits articles (P) dans ladite enceinte (2) ; - le débit de gaz extrait de ladite enceinte (2) ;

- la mise en vitesse des gaz ;

- la recirculation des gaz ; et

- la balance entre les entrées d'air et les sorties de gaz, jusqu'à l'obtention d'une valeur théorique de la température desdits articles (P) en sortie de ladite enceinte (2), proche d'une consigne.

17. Dispositif de prédiction de la température d'articles (P) traversant une installation comportant une enceinte (2) de refroidissement qui utilise un fluide de refroidissement (4) comportant des moyens de prédiction (20) de cette température, caractérisée en ce que lesdits moyens de prédiction (20) compor- tent des moyens de calcul (22,24) qui utilisent des grandeurs caractéristiques du fonctionnement de l'installation, des caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte (2) et des caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles (P).

18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il com- porte des moyens d'entrée manuelle (10) d'au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation.

19. Dispositif selon la revendication 17 ou 18, caractérisé en ce qu'il comporte de moyens de mesure (8) d'au moins une partie desdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation.

20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que lesdits moyens de prédiction (20) comportent un predicteur d'enceinte (22) adapté pour prédire le comportement de ladite enceinte (2) à partir de la résolution de bilans thermiques sur des tranches élémentaires du volume de ladite enceinte (2), lequel predicteur d'enceinte (22) reçoit en entrée, des ca- ractéristiques thermodynamiques dudit fluide de refroidissement (4) et lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques de ladite enceinte (2).

21. Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit predicteur d'enceinte (22) reçoit en outre en entrée, lesdites grandeurs caracté- ristiques du fonctionnement de ladite installation.

22. Dispositif selon la revendication 21 , caractérisé en ce que lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation représentent au moins un des éléments choisis dans le groupe consistant en :

- la vitesse d'un convoyeur (6) de transport desdits articles (P) au tra- vers de ladite enceinte (2) ;

- le taux de chargement ; et

- la ventilation de l'atmosphère de ladite enceinte (2).

23. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 20 à 22, caractérisé en ce que ledit predicteur d'enceinte (22) est associé à des moyens de correction (26) basés sur des relevés expérimentaux du profil des températures régnant dans ladite enceinte (2).

24. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 18 à 23, caractérisé en ce que les moyens de prédiction (20) comportent un predicteur d'articles (24) adapté pour prédire le comportement desdits articles (P) à partir de la résolution de l'équation de conservation de la chaleur discrétisée et appliquée à un réseau de points spatiaux et temporels constituant un maillage desdits articles (P), lequel predicteur d'articles (24) reçoit en entrée au moins lesdites caractéristiques thermodynamiques et physiques desdits articles (P).

25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que ledit predicteur d'articles (24) reçoit en outre en entrée, lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation.

26. Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que lesdites grandeurs caractéristiques du fonctionnement de ladite installation comprennent la température desdits articles (P) en entrée de ladite enceinte (2).

27. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 24 à 26, caractérisé en ce que ledit predicteur d'articles (24) est associé à des moyens d'optimisation des calculs par modification dudit maillage desdits articles (P) selon des suites mathématiques.

28. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 24 à 27, caractérisé en ce que ledit predicteur d'articles (24) est associé à des moyens d'optimisation de calcul par suppression des calculs de prédiction pour des points spatiaux et temporels dudit maillage desdits articles (P) pour lesquels les varia- tions d'enthalpie sont inférieures à un seuil prédéterminé.

29. Dispositif selon les revendications 20 et 24 prises ensemble, caractérisé en ce que les moyens de prédiction (20) comportent des moyens de couplage (30) dudit predicteur d'enceinte (22) et dudit predicteur d'articles (24).

30. Installation de refroidissement d'articles (P) comportant une en- ceinte (2) de refroidissement desdits articles (P) qui utilise un fluide (4) de refroidissement, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de prédiction de la température desdits articles (P) selon l'une quelconque des revendications 17 à 29.

31. Installation selon la revendication 30, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de couplage (30) qui réalisent une réitération de la mise en œuvre (40) du predicteur d'enceinte (22) et de la mise en œuvre (50) du predicteur d'articles (24) et des moyens de comparaison (16) lesquels sont reliés en entrée à des moyens d'entrée (18) d'une consigne de température desdits articles (P) en sortie de ladite enceinte (2) et auxdits moyens de prédiction (20), et sont reliés en sortie à des moyens de commande (12) comprenant des moyens de pilotage (14) adaptés pour modifier au moins l'un des paramètres choisis par le groupe consistant en :

- le débit dudit fluide de refroidissement (4) ;

- la mise en vitesse des gaz ;

- la recirculation des gaz ; et

- la balance entre les entrées d'air et les sorties de gaz, jusqu'à l'obtention d'une valeur théorique de la température desdits articles (P) en sortie de ladite enceinte (2) proche de la consigne saisie grâce auxdits moyens de saisie (18) d'une consigne de température.

32. Installation selon l'une quelconque des revendications 30 ou 31 , caractérisée en ce que ledit fluide de refroidissement (4) est injecté dans ladite enceinte (2) et échange de la chaleur avec lesdits articles (P) par contact direct.

33. Installation selon l'une quelconque des revendications 30 ou 31 , caractérisée en ce que ledit fluide de refroidissement circule dans un dispositif d'échange de chaleur compris dans ladite enceinte, et échange indirectement de la chaleur avec lesdits articles (P) au travers dudit dispositif d'échange de chaleur.

34. Installation selon l'une quelconque des revendications 30 à 33, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de mesure de la température desdits articles (P) en sortie de ladite enceinte (2) qui délivrent une information prise en compte par les moyens de prédiction (20).