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

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WO2003031891A1
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temperature
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Pascal Favier
Sylvain Fourage
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L'air Liquide, Societe Anonyme A Directoire Et Conseil De Surveillance Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F25D2700/00—Means for sensing or measuring; Sensors therefor
    • F25D2700/16—Sensors measuring the temperature of products

Definitions

  • the present invention relates to a method for predicting the temperature of articles undergoing thermal cooling.
  • the invention applies for example to installations for freezing food articles.
  • Known deep-freezing installations comprise, for example, an enclosure or tunnel, of deep-freezing crossed right through by a belt conveyor on which the articles to be frozen are deposited, the conveyor circulating continuously or sequentially through the deep-freezing tunnel.
  • a cryogenic tunnel uses an inert fluid at low temperature which exchanges heat directly by contact with the products to be frozen.
  • a cryogenic tunnel uses either dry ice (-80 ° C), or liquid air, or liquid nitrogen (-196 ° C) as a vector of cold.
  • Dry ice allows the transport of fresh or frozen products without fear of breaking the cold chain.
  • Nitrogen and liquid air allow either individual freezing of food products or the hardening of fragile, deformable or sticky products (such as ice cream ).
  • the production rate which, for a given loading rate, implies a variation of the time of stay in the enclosure
  • the flow rate of the fluid which acts on the temperature profile
  • the inlet temperature of the product the convective profile of the enclosure
  • the loading rate the production rate which, for a given loading rate, implies a variation of the time of stay in the enclosure
  • the flow rate of the fluid which acts on the temperature profile
  • the inlet temperature of the product the convective profile of the enclosure
  • the main difficulty in correcting setpoint deviations is related to the fact that there is no commercially available sensor capable of continuously measuring the internal temperature of products today.
  • the operating conditions and regulation instructions are defined in recipes created experimentally.
  • a recipe memorizes the tuning parameters for a given production.
  • the present invention aims to remedy these problems. To this end, it relates to a method for predicting the temperature of articles passing from an inlet to an outlet, an enclosure of a cooling installation, which uses a cooling fluid, which method comprises a step of predicting of the temperature of articles leaving said enclosure, characterized in that said prediction is calculated on the basis of operating characteristic quantities of said enclosure, of thermodynamic and physical characteristics of said enclosure and of thermodynamic and physical characteristics of said articles.
  • At least part of said quantities characteristic of the operation of said installation is entered manually; - At least part of said quantities characteristic of the operation of said installation is automatically detected;
  • thermodynamic characteristics of said cooling fluid and said thermodynamic and physical characteristics of said enclosure are used to make a prediction of the behavior of said enclosure based on the resolution of thermal balances on elementary slices of the volume of said enclosure;
  • thermodynamic and physical characteristics of said articles are used to make a prediction of the behavior of said articles based on the resolution of the discretized heat conservation equation and applied to a network of spatial and temporal points constituting a mesh of said articles; said prediction of the behavior of said articles also uses said quantities characteristic of the operation of said installation;
  • - Said quantities characteristic of the operation of said installation include the temperature of said articles entering said enclosure; - Said prediction of the behavior of said articles is optimized by calculations of modification of said mesh of said articles according to mathematical sequences;
  • said prediction of the behavior of said articles is optimized by removing prediction calculations for spatial and temporal points of said mesh of said articles for which the enthalpy variations are less than a predetermined threshold;
  • the present invention also relates to a method for cooling articles passing from an inlet to an outlet, an enclosure of a plant for cooling said articles (P) which uses a cooling fluid, characterized in that it includes a step of predicting the temperature of said articles according to the invention;
  • said prediction is carried out by a reiteration of the prediction of the behavior of said enclosure and the prediction of the behavior of said articles, said method comprising a step of modifying at least one of the parameters chosen in the group consisting of:
  • the present invention also relates to a device for predicting the temperature of articles passing through an installation, comprising a cooling enclosure which uses a cooling fluid comprising means for predicting this temperature, characterized in that said predicting means comprise calculation means which use quantities characteristic of the operation of the installation, thermodynamic and physical characteristics of said enclosure and thermodynamic and physical characteristics of said articles.
  • the present invention also relates to an installation for cooling articles comprising an enclosure for cooling said articles which uses a cooling fluid, characterized in that it comprises a device for predicting the temperature of said articles according to the invention. According to other characteristics of the invention:
  • cooling fluid circulates in a heat exchange device included in said enclosure, and indirectly exchanges heat with said articles through said heat exchange device.
  • - Fig.1 shows a block diagram illustrating an installation implementing a method according to the invention
  • - Fig.4 shows the flowchart of the coupling of the enclosure model and the items model.
  • FIG 1 there is shown a food article processing installation equipped to implement a method according to the invention.
  • This installation comprises a cryogenic enclosure or tunnel 2, of the conventional type, allowing the freezing of food articles P by bringing them into contact with a cryogenic fluid 4 conveyed by a supply line 5, from any source.
  • tunnel 2 has the shape of a rectangular parallelepiped.
  • cryogenic fluid 4 used can be, for example, dry ice or liquid nitrogen.
  • This tunnel 2 is associated with a conveyor 6 of the conventional type, allowing the articles P to be introduced into the enclosure 2 and their extraction and operating either sequentially or continuously.
  • the installation is equipped with measuring means 8 of characteristics relating thereto. They deliver for example the temperature profile in enclosure 2 and the conveyor unwinding speed 6. This last piece of information linked to the length of enclosure 2 makes it possible to obtain the residence time of the products P in enclosure 2.
  • the installation is furthermore equipped with input means 10 by an operator of operating parameters, such as for example the temperature of entry into the enclosure 2 of the products P.
  • the cited operating parameters namely the temperature profile, the residence time or the unwinding speed, and the inlet temperature of the products P, are distributed differently between the measurement. and manual entry.
  • the installation finally comprises means 12 for controlling the quantity of cryogenic fluid 4 injected into the enclosure 2.
  • These means 12 comprise means 14 for controlling the flow of cryogenic fluid 4.
  • the control means 14 are constituted by solenoid valve systems or proportional valves of the conventional type, arranged on the cryogenic fluid supply line 5.
  • the fluid 4 is injected at one or more places in the enclosure 2.
  • the control means 14 are controlled by the output of comparison means 16, which are connected as input to input means 18 of a setpoint relating to the temperature of the articles leaving the enclosure 2 and to means 20 for predicting this temperature.
  • Control of the flow rate of cryogenic fluid 4 injected into an installation such as that described, on the basis of a comparison between a setpoint and a prediction of the outlet temperature of the articles, is considered to be known and will not be described further. in detail.
  • the installation also includes a gas ventilation system controlling the gas flows and the ventilation of the atmosphere of the enclosure 2.
  • this system is made up of specific fans enabling gas to speed up, fans controlling gas recirculation and a combination of fans and movable doors controlling the balance between air inlets and outlets. gas.
  • the means 20 for predicting the temperature of the articles P at the outlet of the enclosure 2 comprise means for predicting or predicting 22 the behavior of the enclosure 2, and means for predicting or predicting 24 of the behavior of the articles P.
  • the predictive means 22 of the behavior of the enclosure 2 make it possible to predict by calculation, as described below with reference to FIG. 3, the theoretical profile of the temperatures of the cryogenic fluid 4 to inside the enclosure 2.
  • the results delivered by the prediction means 22 depend on the thermodynamic characteristics of the cryogenic fluid 4, on the convective characteristics of the enclosure 2, as well as on the characteristics of the means for injecting the cryogenic fluid 4 into the enclosure 2, on the characteristics of the system. ventilation and physical characteristics of the enclosure 2.
  • the prediction means 20 also include means 26 for correcting the predictor 22 of the behavior of the enclosure 2.
  • correction means 26 make it possible to take into account, in the calculations of the predictor 22, elements characteristic of the operation of the installation, such as for example the speed of the conveyor 6, temperature readings inside the enclosure 2, the temperature of the cryogenic fluid 4 recovered after the treatment of articles P, or the thermal losses of enclosure 2.
  • the data injected into the predictor 22 using the correction means 26 can be entered manually through the means of input 10 or measured by the measurement means 8. For example, there is a series of probes inside the enclosure 2 which make it possible to establish an experimental profile of the temperatures of the cryogenic fluid 4 in the enclosure 2 .
  • the means 24 of predicting the behavior of the articles P make it possible to determine by calculation, as described below with reference to FIG. 2, the variations in enthalpy of the articles P as a function of their external environment and their initial temperature .
  • the results delivered by the predictor 24 depend on the physical and thermodynamic characteristics of the P products.
  • the prediction means 20 also include means 28 for optimizing the predictor 24 calculations of the behavior of the products P, the operation of which is described below with reference to FIG. 2.
  • Coupling means 30, described in more detail with reference to FIG. 4, make it possible to link the results delivered by the predictor 22 of the behavior of the enclosure 2 and those delivered by the predictor 24 of the behavior of the articles P and to deliver a theoretical temperature of the items P leaving the enclosure 2.
  • the prediction implemented by the means 20 for predicting the temperature of the articles P leaving the enclosure 2 takes into account the thermodynamic and physical characteristics of the enclosure 2 and of the products P, as well as the quantities characteristics of the operation of the installation.
  • the determination of the temperature of the articles P at the outlet of the enclosure 2 is dynamic, easily configurable and easily adaptable to the operating conditions of the installation.
  • thermodynamic and physical characteristics of the articles P are taken into account in the cooling process by the predictor 24 of the behavior of the articles P, and is based on a modeling of the articles P to which the heat conservation equation is applied. discrete.
  • the method used consists in discretizing this equation so that it is solved only on spatial and temporal points called nodes and designated by the general reference 32.
  • X, Y and Z are axes defining an orthonormal spatial reference frame around the article P.
  • T is the temperature of the article P expressed in kelvin (K), and C its specific heat expressed in watt per kilogram and by Kelvin (W / (Kg * K)).
  • Food items P that are frozen are generally made up of different bodies.
  • phase change is accompanied by a temperature variation and that the heat conservation equation can still apply.
  • the discretization is made thanks to the mathematical method of the finite differences in variable mode.
  • the first, implicit discretization has the advantage of being stable whatever the spatial and temporal configuration. At a given instant, it makes it possible to determine the temperature of a node 32 as a function of the temperature of the neighboring nodes at the same instant. However, it implies constant boundary conditions and a matrix resolution of the equation system formed by each of the nodes 32.
  • the second, explicit discretization makes it possible to directly determine the temperature of a node 32 at an instant T + ⁇ T d ' after the conditions at time T. The result is immediate, on the other hand, it is necessary to choose a suitable time step so as to avoid the instability of the model.
  • the first method is recommended in the case where it is sought mainly to obtain the surface temperature of a product, which corresponds to the operation commonly called the "crusting" operation.
  • the second is recommended when you want to freeze and know the core temperature of a product.
  • the mesh of the product P is a crucial problem. On this directly depends the simplicity of further processing and the accuracy of the results.
  • one solution is to distribute nodes in each direction of space using for example a geometric progression , as shown in Figure 2.
  • ⁇ x the value of the first term which corresponds to the abscissa of the first node
  • r the reason, different from 1, of the geometric sequence set implemented.
  • the value of the n th term is: ⁇ x * r n "1. , This corresponds to the position on the X axis of the n th node.
  • the sum of the first n terms is: î -"
  • Another possible optimization method consists in reducing the processing time by omitting certain calculations.
  • the treatment is broken down by no longer summing up the heat fluxes on each face, but in each direction.
  • ⁇ T the equations with the nodes while going from the border towards the heart, until the va- enthalpy is considered to be negligible because it is below a predetermined threshold.
  • the article P In the case where the article P is of complex shape, it can be broken down into a set of elementary forms to which the mesh defined above or any other mesh adapted to the shape of the article P is applied.
  • the means 24 for predicting the behavior of the articles P as well as the means 28 for optimizing the calculations are, for example, implemented by software means.
  • FIG 3 there is shown schematically the enclosure for processing food articles.
  • thermodynamic and physical characteristics of the enclosure 2 are taken into account in the cooling process by the predictor 22 of the behavior of the enclosure 2, and is based on a modeling of the enclosure 2 in the form of elementary slices .
  • the cooling enclosure 2 is associated with a conveyor 6. It is supplied with cryogenic fluid 4 via a supply line 5.
  • the enclosure 2 is assimilated to a rectangular parallelepiped.
  • the method implemented by the predictor 22 of the behavior of the enclosure 2 consists in carrying out a succession of local heat balances.
  • thermodynamic system of tunnel 2 in steady state, in the form of elementary sections 34 ⁇ to 34 n , perpendicular to the length of the enclosure 2.
  • the sum of these elementary sections 34 ⁇ to 34 n represents the internal volume of enclosure 2.
  • the balance of the heat transfers is carried out in order to determine the enthalpy of the fluid 4 and therefore its temperature.
  • m corresponds to the enthalpy of the cryogenic fluid 4 at the outlet of the elementary section 34j expressed in joules per kilogram (J / Kg);
  • H M e corresponds to the enthalpy of the cryogenic fluid 4 at the input of the elementary section 34j expressed in joules per kilogram (J / Kg); corresponds to the liquid enthalpy of the cryogenic fluid 4 injected expressed in joules per kilogram (J / Kg);
  • H corresponds to the enthalpy of the article P at the outlet of the section
  • ⁇ ⁇ corresponds to the heat exchange coefficient of tunnel 2 with the outside expressed in watt per square meter and per kelvin (W / (m 2 K));
  • m __ corresponds to the mass flow rate of cryogenic fluid 4 vaporized in section 34j expressed in kilograms per second (Kg / s);
  • j jl corresponds to the mass flow rate of cryogenic fluid 4 entering the section 34 ⁇ expressed in kilograms per second (Kg / s);
  • YYl corresponds to the mass flow rate of products to be treated expressed in kilograms per second (Kg / s); 1 Amb corresponds to the ambient temperature expressed in kelvin; and y corresponds to the temperature of the cryogenic fluid 4 at the input of the unit 34
  • FIG. 3 also shows the heat flows: th r H t is represented P ar ' a letter A;
  • rh m H M O is re BSB has P ar the l ⁇ ttre B: H m m m is represented by the letter C;
  • cryogenic liquid 4 injected is only partially vaporized and a fraction of the liquid flows towards the inlet. of enclosure 2.
  • an enthalpy of the limiting fluid is designated, below which a liquid content will appear.
  • fj J m corresponds to the limit enthalpy of formation of a liquid title in an elementary section of the tunnel 2.
  • FIG. 4 shows the operation of the means 20 for predicting the temperature of the articles P at the outlet of the enclosure 2.
  • the cooling process involves predicting the behavior of enclosure 2 implemented by the predictor 22 of the behavior of enclosure 2 and the prediction of the behavior of the articles implemented by the predictor 24 of the behavior of the articles P.
  • this step is implemented by the coupling means 30.
  • the predictor 22 After repeating this operation a certain number of times, we obtain the total thermal losses 44 as well as the profile 46 of the temperatures of the fluid 4 in the enclosure 2. To calculate the thermal balance of each slice, the predictor 22 requires the enthalpic variations of articles P. In fact, during the first iteration, the temperature profile of the fluid 4 in the enclosure 2 cannot be calculated, it is fixed arbitrarily.
  • the predictor 24 of the behavior of the items P is then implemented during a step 50. This delivers the enthalpy 52 of the product P at the outlet of the enclosure 2, ie its temperature.
  • the predictor 24 of the behavior of the articles P also delivers the enthalpy variations 54 of an article P for each elementary section of the enclosure 2.
  • this information is returned to the behavior predictor 22 of the enclosure 2 which inserts it into the heat balance of each elementary section.
  • the enthalpy 52 of the product P at the outlet of the enclosure 2 as well as the profile 46 of the temperatures of the fluid 4 in the enclosure 2 and the total thermal losses 44, are put in relation in order to determine the total flow rate of the fluid, at step 60.
  • the flow rate 62 injected into each elementary section is also obtained.
  • this information is returned to the behavior predictor 22 of the enclosure 2 which inserts it into the heat balance of each elementary section.
  • step 80 It is then checked whether the temperature profile of the fluid 4 in the enclosure 2 is stable, in step 80.
  • the profile of the fluid temperatures is considered to be stable if it meets the following criteria twice:
  • dif_profil is a constant fixed by the operator.
  • the profile On the first pass, the profile is considered unstable. As long as the profile is considered unstable, we return to step
  • step 80 it is checked whether the setpoint entered by the input means 10 for a setpoint relating to the temperature of the products P at the outlet of the enclosure 2 has been reached, in step 80. If the setpoint has been reached, the last profile of the temperatures of the fluid 4 inside the enclosure 2 is implemented, in a conventional manner, by the control of the means 14 for controlling the flow of fluid 4, step 90.
  • a correction 102 is applied to the flow rate of the fluid 4 before repeating the algorithm.
  • a correction 104 is also applied directly to the temperature profile of the fluid 4, which is injected into the predictor 22 of the behavior of the enclosure 2.
  • the prediction of the temperature of the articles leaving the enclosure is used to perform automated control of a cryogenic enclosure 2 by influencing the flow rate of the fluid 4 injected.
  • the method of the invention is implemented in an installation having non-contact sensors for the temperature of the items being output, for example sensors based on thermal radiation or the infrared image, or even on a measurement by microwave thermometry (TMO), such as the sensor described in patent FR-A-2,771,552.
  • TEO microwave thermometry
  • results delivered by the means for predicting the temperature of the articles leaving the enclosure according to the invention are then cross-checked with the measurements delivered by these sensors.
  • one or the other of the information is used to check the other, or an average of the two values for the operation of the installation.
  • the information delivered by the sensor is used to correct the prediction.
  • the measurement frequency is lower than the frequency of delivery of a prediction.
  • the installation is equipped with means for determining the value representative of the quality and / or quantity of articles treated, which means are connected to the means for predicting the temperature of the articles leaving according to the invention.
  • cooling method of the invention can also be applied in a mechanical cooling installation having an indirect heat exchange device.
  • the invention has been described in the case of cooling food articles, however it can also be applied to other types of articles, in particular metallic articles.
  • cooling also covers systems aimed at maintaining and controlling a temperature lower than the initial temperature of an article.
  • the invention has been described in the context of a cooling installation.
  • the temperature prediction method can be implemented independently of the enclosure control means, for example in the context of temperature control.
  • the invention makes it possible in particular to ensure the traceability of the articles during acquisition and storage operations with a view to providing a quality guarantee.

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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.
Figure imgf000011_0001
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 ne θ terme est : Δx*rn"1., cela correspond à la position sur l'axe X du nème 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 :
Figure imgf000013_0001
avec R ι-r
1 + ;
Avec I qui correspond à l'abscisse du nœud central sur cette longueur
Figure imgf000013_0002
L'imprécision sur l'axe X s'exprime alors de la manière suivante
\ -2 - 1
Figure imgf000013_0003
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 34n, perpendiculaires à la longueur de l'enceinte 2. La somme de ces tranches élémentaires 34τ à 34n, représente le volume interne de l'enceinte 2.
Pour chaque tranche élémentaire 34ι à 34n, 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 :
Figure imgf000015_0001
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) ;
]ζτ 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 Par 'a lettre A ;
rhm H MO est rePrésenté Par la lΘttre B : mmHm est représenté par la lettre C ;
m H e( . est rePrésenté par la lettre D ; et
m H d) est représenté par la lettre E ;
Figure imgf000016_0001
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 χL(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 :
Figure imgf000017_0001
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 :
Figure imgf000018_0001
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) ;
- 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 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).
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