WO2015059392A1 - Calculateur embarque pour le suivi de la consommation de cryogene d'un vehicule de transport cryogenique - Google Patents
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- Nitrogen consumption (of cryogen generally) strongly depends on these operating conditions, but also on the technical characteristics of the system (truck dimensions, thermal insulation, number and type of exchangers, regulation), which are known in advance and do not vary during the tour.
- - Tsp is the desired set temperature inside the body
- the onboard computer further evaluates the cryogenic autonomy of the truck, this according to the following procedure:
- the calculator can then evaluate the autonomy time of the tank tautonomy as follows:
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Abstract
L'invention concerne un procédé de gestion du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, se caractérisant en ce que l'on dispose à bord du camion d'un calculateur et en ce que l'on procède à l'aide de ce calculateur aux opérations suivantes :• - on procède à un instant t d'une tournée du camion à une mesure de la consommation de fluide cryogénique en temps réel, par exemple par une mesure du niveau de fluide dans la dite réserve; • - on procède à un calcul de la consommation théorique de fluide cryogénique à l'instant t considéré; • - on calcule l'écart entre ladite mesure de consommation et ladite consommation calculée.
Description
CALCULATEUR EMBARQUE POUR LE SUIVI DE LA CONSOMMATION DE CRYOGENE D'UN VEHICULE DE TRANSPORT CRYOGENIQUE
La présente invention concerne le domaine du transport et de la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires, et elle s'intéresse tout particulièrement aux technologies où le froid nécessaire au maintien en température des produits est fourni par un groupe cryogénique fonctionnant en boucle ouverte et mettant en œuvre :
- une injection directe d'un fluide cryogénique dans la caisse de transport (très souvent de l'azote liquide) ;
ou
- une injection dite « indirecte » d'un fluide cryogénique (tel l'azote liquide ou le CO2 liquide, ...) dans la caisse de transport qui met en œuvre un ou plusieurs échangeur(s) de chaleur dans l'enceinte interne où sont transportés les produits (on parle aussi de « chambre », de « boite », de « caisse » isotherme...), échangeur dans lequel circule le fluide cryogénique, l'enceinte étant par ailleurs munie d'un système de circulation d'air (ventilateurs) mettant en contact cet air avec les parois froides de l'échangeur, ce qui permet ainsi de refroidir l'air interne de la chambre froide du camion, le fluide cryogénique alimentant le ou les échangeur(s) provenant d'un réservoir de cryogène traditionnellement situé sous le camion.
Les ambiances maintenues à l'intérieur de la chambre froide peuvent être prévues tant pour des produit frais (typiquement une température voisine de 4°C) que pour des produits surgelés (typiquement une température voisine de -20°C).
Dans ce contexte, la consommation de cryogène, par exemple d'azote, d'une telle solution dépend d'un grand nombre de paramètres, et notamment des conditions d'opération (températures de consigne à respecter à l'intérieur de la caisse, température régnant à l'extérieur du camion, temps de trajet,
nombre d'ouvertures de portes lors de la tournée du camion créant des entrées de chaleur et d'humidité etc ..) et des caractéristiques techniques de la solution (dimensions du camion, isolation thermique, nombre et type d'échangeurs, régulation mise en œuvre, ... etc....).
En considérant un camion frigorifique comme un système thermodynamique, il est possible de le modéliser avec son système de production du froid cryogénique en appliquant les lois de conservation de masse et d'énergie. Plus particulièrement, cette modélisation permet de prédire la consommation optimale du cryogène en fonction des conditions opératoires et des conditions climatiques internes et externes mentionnées ci-dessus.
Or, la consommation en cryogène d'un camion frigorifique équipé d'un groupe cryogénique représente la majeure partie de son coût opérationnel (OPEX). Il n'est dès lors pas étonnant de constater que l'opérateur d'un tel camion est très attentif à cette consommation et à son suivi par type de tournée, par configuration de camion, par conducteur de camion et par site de distribution. Ce suivi permet à cet opérateur d'établir des indicateurs pour son tableau de bord et surtout de mettre en application des bonnes pratiques permettant de réduire ses consommations. Ceci sera d'autant plus efficace si cet opérateur peut avoir un accès instantané à la fois à la consommation réelle (par exemple par l'examen du niveau dans le réservoir cryogénique) et à la consommation théorique « optimale ». Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer une méthode de calcul simplifiée, conjuguée à des mesures physiques bien déterminées, permettant d'estimer de façon confortable et fiable la consommation en temps réel du camion. L'écart entre cette consommation « théorique » (calculée) et celle réellement consommée permettra à l'opérateur du camion de décider d'une action à mettre en œuvre pour le réduire. Selon un des aspects de l'invention, on cherche à effectuer cette comparaison de manière « embarquée ».
Comme on l'expliquera plus en détails plus loin dans la présente demande, on décompose selon l'invention le fonctionnement d'un groupe cryogénique en au moins trois, voire quatre phases thermiques distinctes :
- une phase que ce domaine technique a coutume d'appeler le « pull-down » qui est une phase de descente rapide en température, qui peut se décrire ainsi : lors de la mise en route du système frigorifique du camion, par exemple au démarrage d'une tournée ou après un arrêt prolongé du système frigorifique pour une raison quelconque ou encore après une ouverture de porte, on adopte un mode de « descente rapide » en température. Cette phase se caractérise donc notamment par le temps nécessaire au système pour atteindre la température de consigne à l'intérieur de la caisse.
- une phase dite de « stabilisation thermique », suivie d'une phase dite de « régime stationnaire » : Une fois la température de consigne atteinte dans la chambre de stockage des produits, on adopte un mode de contrôle/régulation qui permet de maintenir la température de la chambre de stockage des produits à la valeur de la consigne. Pendant toute cette phase de stabilisation thermique, la température reste au niveau de la consigne et la consommation horaire du système diminue progressivement jusqu'à un niveau constant, appelé « régime stationnaire ». Seules les ouvertures de portes viennent bouleverser cet équilibre thermique car elles apportent des entrées de chaleur et d'humidité au système.
Les trois premières phases, « pull-down », stabilisation thermique et régime stationnaire s'enchaînent et les ouvertures de portes peuvent intervenir n'importe quand après le « pull-down ».
Sur le plan mathématique, les deux phases de stabilisation thermique et de régime stationnaire peuvent être confondues étant donné que la phase de régime stationnaire est simplement la limite dans le temps de la première.
- une phase dite d'ouverture(s) de porte(s).
Les figures 1 et 2 annexées permettent de mieux visualiser ces différentes phases. Chaque tournée de camion peut donc se décomposer en un temps de
« pull-down » ou descente rapide, un temps de stabilisation thermique, un temps passé en régime stationnaire et un nombre d'ouvertures de portes. Les conditions d'opération correspondant à chaque phase peuvent varier pendant la durée du fonctionnement du groupe frigorifique, notamment en ce qui concerne la température extérieure et la température de consigne souhaitée dans la caisse.
La consommation d'azote (de cryogène de façon générale) dépend fortement de ces conditions d'opération, mais également des caractéristiques techniques du système (dimensions du camion, isolation thermique, nombre et type d'échangeurs, régulation) qui, elles, sont connues à l'avance et ne varient pas durant la tournée.
Il est alors possible d'estimer la consommation de cryogène, par exemple d'azote, d'un groupe cryogénique en estimant la consommation correspondante à chacune de ces phases en fonction des températures extérieures constatées.
Ainsi, à un instant donné, en fonction de l'écart de température constaté entre la température réelle à l'intérieur de la caisse (Tint) et la température de consigne (Tsp) d'une part, et de l'écart de température entre l'intérieur de la caisse (Tint) et l'air environnant le camion (Textérieure), le calculateur déduit la phase de fonctionnement qui est en cours à l'instant considéré et applique la formulation de calcul correspondant à la phase considérée, en intégrant toute la consommation précédente pour afficher en temps réel la consommation calculée à l'instant t.
Un calculateur embarqué dans le système peut ainsi calculer en temps réel la consommation d'azote théorique pour les caractéristiques du système données et les conditions extérieures mesurées, et la comparer à la
consommation d'azote réelle mesurée par ailleurs. Un écart significatif de ces consommations entraînera par exemple le déclenchement d'une alarme.
L'algorithme (logigramme) donné en figure 3 annexée explicite la logique suivie par le calculateur afin d'une part de détecter la phase courante et d'autre part de calculer la consommation correspondante.
Dans ce logigramme :
- Tsp : est la température de consigne souhaitée à l'intérieur de la caisse;
- Tint ou Tintérieure désigne la température interne à la caisse (mesurée) ;
- Textérieure désigne la température de l'air environnant le camion ;
- « a » et « b » sont deux paramètres de températures ajustables dans l'intervalle de 1 à 4 ;
- « c » est un paramètre de temps ajustable dans l'intervalle de 60 à 90 (en minutes).
Parcourons dans ce qui suit les différentes étapes et actions de ce logigramme pour en comprendre mieux les aspects :
- à l'origine, avant le démarrage d'un parcours du camion, la température intérieure de la caisse est au niveau de la température de l'air environnant le camion ;
- l'injection de cryogène dans le système d'échangeur est alors enclenchée (CTI ON) pour abaisser la température interne et la rapprocher de la température de consigne recherchée, c'est la phase de « pull down » ou descente rapide, et le compteur 1 (compteur de la tournée, en minutes) est mis en route ;
- tant que la température interne à la caisse Tint est supérieure à une grandeur Tsp + a (a par exemple égale à 2) le calculateur considère que la caisse est en phase de « pull down » ;
- dès que la température interne à la caisse Tint est inférieure à cette grandeur Tsp + a le calculateur considère que la caisse est passée en phase de « stabilisation thermique », durant laquelle il va évaluer le positionnement de la
température interne à la caisse Tint par rapport à une grandeur Tsp + b (b par exemple égale à 1 ou 2);
- tant que la température interne à la caisse Tint est inférieure à une grandeur Tsp + b le calculateur considère que la caisse est en phase de stabilisation thermique ;
- dès que la température interne à la caisse Tint est supérieure à la grandeur Tsp + b, le calculateur considère qu'une ouverture de porte est intervenue (phase « ouverture de porte ») et il met alors en route le compteur 2 (temps en minutes) ;
- le calculateur cherche alors à détecter durant cette phase un changement de signe de la dérivée de Tint :
-- > si un changement de signe de cette dérivée intervient (indication que la porte a été refermée), le calculateur met à l'arrêt le compteur 2 et enclenche une nouvelle phase de « pull-down » selon le fonctionnement déjà décrit ci-dessus et que l'on retrouve bien sur le logigramme (évaluation du positionnement de Tint par rapport à la grandeur Tsp + a... etc ..) ;
-- > si un changement de signe de cette dérivée n'intervient pas, le calculateur examine la valeur courante du compteur 2 (t2) et compare cette valeur à une grandeur c (c par exemple égale à 60 minutes) ; si t2 n'est pas supérieure à c le calculateur considère que le système est toujours en phase d'ouverture de porte et il continue d'attendre une changement de signe de la dérivée de Tint, tandis que si t2 devient supérieure à c le calculateur considère que la tournée est terminée et il arrête le compteur 1 . La présente invention concerne alors un procédé de suivi du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, où le camion est muni :
- d'au moins une chambre de stockage des produits,
- d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, - d'un système d'échangeur thermique dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant un ensemble d'un ou plusieurs échangeurs ;
- ainsi que d'un système de circulation d'air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois froides des échangeurs de l'ensemble,
se caractérisant en ce que l'on dispose à bord du camion d'un calculateur et en ce que l'on procède à l'aide de ce calculateur aux opérations suivantes :
- on procède à une mesure de la consommation de fluide cryogénique en temps réel, par exemple par une mesure du niveau de fluide dans la dite réserve ;
- on procède à un calcul de la consommation théorique de fluide cryogénique à un instant t d'une tournée du camion, calcul qui prend en compte notamment les paramètres suivants :
i) des conditions d'opération du camion parmi la ou les températures de consigne devant régner à l'intérieur de la ou lesdites chambres de stockage, la température mesurée à l'extérieur du camion durant le trajet, le temps de trajet, et le nombre d'ouvertures de porte(s) du camion intervenues depuis le démarrage de la tournée ;
j) les caractéristiques techniques de la solution d'injection indirecte mise en œuvre par le camion parmi : les dimensions du camion, l'isolation thermique, le nombre et type d'échangeurs du système d'échangeur thermique.
- on calcul l'écart entre ladite mesure de consommation et ladite consommation calculée. Selon un des aspects de l'invention, le calculateur embarqué évalue de plus l'autonomie en cryogène du camion, ceci selon la démarche suivante :
- considérons L le niveau de cryogène dans le réservoir à un instant donné ;
- considérons n le nombre de livraisons restantes dans la tournée (et donc d'ouvertures de portes), Tsp la température de consigne et Text la température extérieure constatée ;
- considérons le profil de consommation horaire du camion (appelons le « conso-horaire », qui est fonction de Tsp et Text) et la consommation d'une ouverture de porte d'une durée d (appelons la « conso-OP », qui est fonction de Tsp, Text et d) ;
- le calculateur peut alors évaluer le temps d'autonomie du réservoir tautonomie comme suit :
_ L - n.conso _ OP(Tsp , Text , d)
conso _ horaire T , Text)
L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exemple de mise en œuvre développé ci-dessous :
Prenons l'exemple d'un camion porteur 18 palettes dont les dimensions (hauteur, largeur, longueur, épaisseur des parois) sont connues ainsi que le coefficient global de transfert thermique K voisin de 0,4W/m2K. Ces caractéristiques intrinsèques au camion sont intégrées au calculateur. Est également intégrée au calculateur, toute une base de données issue d'une modélisation théorique, fournissant pour le camion renseigné, la consommation théorique par phase (pull-down, stabilisation thermique, régime établi, ouverture de porte) et par différence de température consigne/extérieure. Cette modélisation est basée sur l'application de l'équation de la chaleur bien connue de l'homme de l'art. Elle intègre également des corrélations classiques pour le calcul des coefficients de transfert thermique au niveau des échangeurs tant pour le cryogène que pour l'air ainsi que des corrélations permettant d'estimer les énergies mises en jeu lors des ouvertures de portes avec ou sous présence de rideaux.
La Demanderesse dispose de ses propres formules de calcul mais il faut signaler qu'une telle modélisation peut également être réalisée sans difficulté par des programmes commercialement disponibles tels que Matlab™, Aspen™, ou autres...
Revenons donc maintenant à notre exemple et supposant que la température ambiante extérieure est constamment égale à 20°C et que l'opérateur est amené avec ce camion à faire une distribution de produits surgelés. Il règle alors une température de consigne de -20°C et appuie sur ON (voir logigramme en figure 3 annexé).
Comme le montre la figure 1 , le système frigorifique étant mis en marche, l'azote est injecté dans les échangeurs, l'air interne au camion échange avec l'azote et sa température baisse au fur et à mesure pour s'approcher de la température de consigne. Pendant cette phase, le calculateur interroge régulièrement la température de l'air dans la caisse et constate qu'il y a toujours une différence entre la température de l'air qui se refroidit et la température de consigne à -20°C, il considère alors qu'on est en phase de « pull-down » et ceci jusqu'à ce que cet écart approche une valeur de « a » qui peut être fixée à 2K par exemple, c'est-à-dire jusqu'à un refroidissement de l'air à environ -18°C. Si l'écart de température continue de se réduire et passe en dessous de 2K, en d'autres termes la température de l'air intérieur tend vers -20°C, le calculateur considère la phase de « pull- down » comme terminée, il peut afficher à ce stade déjà la différence de consommation entre la valeur de consommation théorique fournie par sa base de données et ce que le système a réellement consommé, en calculant par exemple la différence entre le niveau initial de cryogène dans le réservoir et le niveau à l'instant considéré comme fin de phase de « pull-down ».
Généralement, après la phase de « pull-down », la température de l'air se stabilise pendant un temps donné (camion en déplacement portes fermées) avant de commencer la distribution, donc impliquant des phases successives d'ouverture de portes, retour à la consigne (mini « pull-down ») et stabilisation.
Pour chacune des ces phases, on applique la même démarche explicitée plus haut (telle que montrée sous forme du logigramme de la figure 3) pour calculer la consommation théorique et la comparer à la consommation réelle du camion via une mesure de la variation du niveau dans le réservoir embarqué.
Claims
1. Procédé de suivi du fonctionnement d'un camion de transport frigorifique de produits thermosensibles, du type à injection indirecte, où le camion est muni :
- d'au moins une chambre de stockage des produits,
- d'une réserve d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide,
- d'un système d'échangeur thermique dans lequel circule le fluide cryogénique, système d'échangeur comprenant un ensemble d'un ou plusieurs échangeurs ;
- ainsi que d'un système de circulation d'air, par exemple de type ventilateurs, apte à mettre en contact l'air interne à la chambre avec les parois froides des échangeurs de l'ensemble,
se caractérisant en ce que l'on dispose à bord du camion d'un calculateur et en ce que l'on procède à l'aide de ce calculateur aux opérations suivantes :
- on procède à un instant t d'une tournée du camion à une mesure de la consommation de fluide cryogénique en temps réel, par exemple par une mesure du niveau de fluide dans la dite réserve ;
- on procède à un calcul de la consommation théorique de fluide cryogénique à l'instant t considéré, calcul qui prend en compte notamment les paramètres suivants :
i) des conditions d'opération du camion parmi la ou les températures de consigne devant régner à l'intérieur de la ou lesdites chambres de stockage, la température mesurée à l'extérieur du camion durant le trajet, le temps de trajet, et le nombre d'ouvertures de porte(s) du camion intervenues depuis le démarrage de la tournée ;
j) les caractéristiques techniques de la solution d'injection indirecte mise en œuvre par le camion parmi les dimensions du camion, l'isolation thermique, le nombre et type d'échangeurs du système d'échangeur thermique.
- on calcul l'écart entre ladite mesure de consommation et ladite consommation calculée.
2. Procédé selon la revendication 1 , se caractérisant en ce que le calculateur procède au calcul de la consommation théorique de fluide cryogénique à l'instant t d'une tournée du camion en mettant en œuvre notamment les étapes suivantes :
- le calculateur détermine, en fonction de l'écart de température constaté entre la température mesurée à l'intérieur de ladite au moins une chambre et la température de consigne devant régner à l'intérieur de ladite au moins une chambre d'une part, et d'autre part de l'écart de température constaté entre la température mesurée à l'intérieur de ladite au moins une chambre et la température mesurée à l'extérieur du camion, la phase de fonctionnement courante du camion parmi :
- une phase de descente rapide ;
- une phase de stabilisation thermique ; et
- une phase d'ouverture de porte(s) du camion ; et
- le calculateur applique une formulation de calcul de la consommation à l'instant t considéré correspondant à la phase considérée, et intègre la consommation précédemment intervenue jusqu'à l'instant t depuis le démarrage de la tournée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que le calculateur évalue de plus le temps d'autonomie en cryogène du camion à l'instant t donné.
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