WO2016189220A1 - Système frigorifique hybride cryo-magnétique - Google Patents

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Mohammed Youbi-Idrissi
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L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • the present invention relates to the field of cold production at average powers ( ⁇ 20kW) and using cryogenic fluids as the main source of cold. She is particularly interested in applications operating in two modes:
  • cryogen consumption is the main component of ⁇ of the system.
  • An OPEX that can, in some configurations, weigh too heavily in the economic balance of the process, to the point of making the choice of cryogenics economically unsustainable. Very high consumption during certain periods of the year also impacts the autonomy of the system.
  • the present invention proposes a technical solution that makes it possible to preserve the advantages of cryogenics for these applications (well-known advantages notably related to noise reduction, carbon footprint, the absence of fine particle emissions or even the power of cold in full load) while reducing the consumption of cryogen to the necessary minimum, this being obtained by adding another system of production of cold, system which one can describe as "magnetic", the addition taking place during certain phases of system operation that we will detail below.
  • ⁇ will be reduced and the autonomy in cryogen will be greatly improved.
  • the present invention therefore proposes to combine two modes of cold production, very complementary to each other as we will see: cryogenic cold and magnetic cold.
  • cryogenic cold according to these technologies well known to those skilled in the art, it is taken from a tank filled with liquid cryogen (traditionally located under the truck in the case of transporting heat-sensitive products, on the user site otherwise), the quantity of the desired cold and this quantity of frigories is sent directly or indirectly into the medium to be cooled. Generally, a temperature control of the medium makes it possible to regulate the quantity of the cryogen to be discharged.
  • the magnetic cold this system of cold supply is based on the magnetocaloric effect, ie a property of certain materials which results in a change of their temperature when they are subjected to a variation of magnetic field.
  • the main advantage of this type of cold production is its high thermodynamic efficiency, due to the fact that the magnetization / demagnetization process is very reversible, unlike compression / expansion of a gas in mechanical cold production systems. .
  • FIG. 1 schematically illustrates the operating principle of the magnetic cold.
  • Magnetic refrigeration systems generally include the following elements:
  • a block of magnetocaloric material Subject to a variable field 2, the material will successively heat up and cool down.
  • the variable magnetic field can be created by an electromagnet powered by a variable current, a superconducting coil, or by the displacement of a permanent magnet structure. For a production of cold around the ambient temperature, it is the third solution which is the most adapted;
  • Cryogenic cold offers its striking force to allow rapid descents in temperature when the cooling process requires it (for example when opening the doors of a truck carrying heat-sensitive products), a striking force that does not offer magnetic cold according to the techniques known today.
  • Magnetic refrigeration offers its cooling capacity for partial load operation phases to maintain the temperature at a setpoint, phases for which a few kilowatts are sufficient.
  • the invention thus relates to a method for cooling or maintaining the temperature of heat-sensitive products such as the products pharmaceuticals and foodstuffs, in fixed or mobile installations such as fixed cold rooms or vehicles for the transport and distribution of such thermosensitive products, where the cold required for cooling or maintaining the temperature of the products is provided by direct injection or indirectly a cryogenic fluid in the space containing the products, and where in the case of indirect injection the cryogenic fluid is conveyed to one or more heat exchangers located inside the space containing the products. characterized in that during at least one of the cooling or holding phases of the process, all or part of the necessary cold is provided by the use of a magnetic cool.
  • the cryogenic unit is supplied as long as the temperature of the air to be cooled is higher than the target temperature to be reached (in the chamber containing the products).
  • the cryogenic group is gradually stopped by gradually closing the cryogen supply valve or by gradually closing the valve. gas exiting the exchanger if it is a cryogenic group with indirect injection.
  • the magnetic group is also ordered to start, its role being to maintain the temperature of the air around its set point. As soon as the air temperature is a few degrees higher than the set temperature, the cryogenic unit is restarted and the magnetic group is stopped.
  • the value of a is in the range from 5 ° C. to 10 ° C., preferably close to 5 ° C.
  • b is in the range from 1 ° C to 2 ° C, preferably close to 1 ° C.

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Abstract

Un procédé de refroidissement ou de maintien en température de produits thermosensibles tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires, dans des installations fixes ou mobiles telles les chambres froides fixes ou les véhicules de transport et de distribution de tels produits thermosensibles, où le froid nécessaire au refroidissement ou au maintien en température des produits est fourni par l'injection directe ou indirecte d'un fluide cryogénique dans l'espace comportant les produits, et où dans le cas d'une injection indirecte le fluide cryogénique est acheminé jusqu'à un ou plusieurs échangeurs thermiques situés à l'intérieur de l'espace comportant les produits, se caractérisant en ce que durant au moins une des phases de refroidissement ou maintien que comporte le procédé, tout ou partie du froid nécessaire est fourni par l'utilisation d'un froid magnétique (1, 2, 3, 4).

Description

«SYSTEME FRIGORIFIQUE HYBRIDE CRYO-MAGNETIQUE»
La présente invention concerne le domaine de la production de froid à des puissances moyennes (<20kW) et utilisant des fluides cryogéniques comme source principale du froid. Elle s'intéresse plus particulièrement aux applications fonctionnant en deux régimes :
1 - Un régime de « pleine charge » où le système nécessite toute la puissance frigorifique nominale. Le dimensionnement se fait d'ailleurs en fonction de ce régime-ci ;
2- Un régime de « charge partielle » où le système nécessite seulement une faible partie de la puissance du système, moyennant une régulation appropriée. On peut citer à titre d'exemple de domaine fonctionnant selon de tels régimes de « pleine charge » et de « charge partielle » le cas du transport et de la distribution de produits thermosensibles, tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires avec des groupes cryogéniques fonctionnant en boucle ouverte et mettant en œuvre une injection directe ou indirecte de fluides cryogéniques et en particulier d'azote liquide.
Rappelons par exemple que le contrôle de procédé typiquement mis en œuvre dans de tels camions fonctionnant en injection indirecte est le suivant :
1 - Lors de la mise en route du système frigorifique du camion (par exemple au démarrage d'une tournée ou après un arrêt prolongé du système frigorifique pour une raison quelconque) ou encore après une ouverture de porte, on adopte un mode de descente rapide en température (cette industrie nomme cette phase « pull down » ou « pleine charge »).
2- Une fois la température de consigne atteinte dans la chambre de stockage des produits, on adopte un mode de contrôle/régulation qui permet de maintenir la température de la chambre de stockage des produits à la valeur de la consigne (cette industrie nomme cette phase « maintien » ou « charge partielle »).
Dans de telles applications, la consommation du cryogène constitue la principale composante de ΟΡΕΧ du système. Un OPEX qui peut, dans certaines configurations, peser trop lourdement dans la balance économique du procédé, au point de rendre le choix de la cryogénie économiquement non viable. Une consommation très élevée pendant certaines périodes de l'année impacte également l'autonomie du système.
La présente invention propose une solution technique permettant de conserver les avantages de la cryogénie pour ces applications (avantages bien connus liés notamment à la réduction du bruit, à l'empreinte carbone, à l'absence des émissions de particules fines ou encore à la puissance de froid en pleine charge) tout en réduisant la consommation de cryogène au strict nécessaire, ceci étant obtenu en ajoutant un autre système de production du froid, système que l'on peut qualifier de « magnétique », l'ajout s'opérant pendant certaines phases de fonctionnement du système que nous détaillerons ci-dessous. Ainsi, ΟΡΕΧ sera réduit et l'autonomie en cryogène sera largement améliorée.
La présente invention propose donc d'associer deux modes de production du froid, très complémentaires l'un de l'autre comme on va le voir : le froid cryogénique et le froid magnétique.
- le froid cryogénique : selon ces technologies bien connues de l'homme du métier, on prélève, d'un réservoir rempli de cryogène liquide (situé traditionnellement sous le camion dans le cas du transport de produits thermosensibles, sur le site utilisateur sinon), la quantité du froid voulue et on envoie cette quantité de frigories directement ou indirectement dans le milieu à refroidir. Généralement, un contrôle de température du milieu permet de réguler la quantité du cryogène à débiter. - le froid magnétique : ce système d'apport de froid est basé sur l'effet magnétocalorique, i.e une propriété de certains matériaux qui se traduit par un changement de leur température lorsqu'ils sont soumis à une variation de champ magnétique. L'avantage principal de ce mode de production de froid est sa grande efficacité thermodynamique, liée au fait que le procédé d'aimantation/désaimantation est très réversible, contrairement à la compression/détente d'un gaz dans les systèmes de production de froid mécanique.
Par ailleurs, le rendement d'un moteur (nécessaire pour réaliser les phases d'aimantation/désaimantation) est bien meilleur que celui d'un compresseur (90% vs. 60-70%).
La figure 1 annexée illustre de façon schématique le principe de fonctionnement du froid magnétique.
Les systèmes de production du froid magnétique comportent généralement les éléments suivants :
1 - Un bloc de matériau magnétocalorique 1 . Soumis à un champ variable 2, le matériau va successivement s'échauffer et se refroidir. Le champ magnétique variable peut être créé par un électro-aimant alimenté par un courant variable, par une bobine supraconductrice, ou encore par le déplacement d'une structure d'aimants permanents. Pour une production du froid autour de la température ambiante, c'est la troisième solution qui est la plus adaptée ;
2- Deux échangeurs de chaleur (3 et 4), un pour la valorisation du froid, l'autre pour une valorisation éventuelle de la chaleur. Lorsque le bloc de matériau magnétocalorique est activé, des quantités de chaleur « chaude » et « froide » se dégagent successivement de part et d'autre dudit bloc. Sur la figure 1 , il a été représenté schématiquement un échangeur de chaleur pour le captage du chaud (4) et du froid (3) ;
3- Une boucle de circulation alimentée par un fluide caloporteur nécessitant la mise en place d'une pompe 5; 4- La production du froid et du chaud étant intermittente, il est d'usage d'introduire dans de tels systèmes des réservoirs de stockage (ici 6 et 7). On le sait, ce mode de production du froid est connu de longue date.
Après la découverte de l'effet magnétocalorique en 1881 , plusieurs tentatives ont été entreprises pour concevoir des cycles de réfrigération, plutôt à très basses températures (dixième du kelvin) mettant en jeu des toutes petites puissances de l'ordre du μW. Par la suite, des systèmes multi-étagés se sont développés et se sont généralisés pour atteindre les très basses températures (jusqu'à 10" 8 K), principalement pour étudier les propriétés physiques des matériaux à proximité du zéro absolu.
A alors été proposé beaucoup plus récemment le premier réfrigérateur magnétique à température ambiante, utilisant l'aimantation et la désaimantation adiabatique du gadolinium car sa température de Curie est de 293 K. Depuis cette date, le développement des réfrigérateurs magnétiques à température ambiante s'est poursuivi, avec des puissances moyennes allant du watt au kilowatt. L'inconvénient de ces systèmes est la nécessité de mise en place de bobines supraconductrices qui requièrent leurs systèmes propres de refroidissement.
C'est avec la découverte de l'effet magnétocalorique "géant" en 1997 dans un alliage de gadolinium-germanium-silicium (Gd5(Si2Ge2)) que les scientifiques et les industriels du secteur du froid ont commencé à envisager la réfrigération magnétique à température ambiante pour des applications industrielles.
Depuis cette date, plusieurs prototypes ont été développés avec des puissances allant de quelques dizaines de Watts (pour des applications de froid domestique) à plusieurs centaines de Watts. Les recherche se poursuivent et s'intensifient pour atteindre un niveau de puissance supérieur, de l'ordre de plusieurs kilowatts. C'est donc le mérite de la présente invention de proposer une utilisation avantageuse de cette source de froid magnétique pour l'associer de façon synergétique aux systèmes de production de froid existants.
En effet, l'association de la cryogénie et du froid magnétique est extrêmement avantageuse car elle n'altère pas les avantages de chacune des technologies :
1 . Les deux technologies sont silencieuses et écologiquement propres ;
2. Le froid cryogénique offre sa force de frappe pour permettre des descentes rapides en température quand le procédé de refroidissement le nécessite (par exemple lors d'une ouverture des portes d'un camion de transport de produits thermosensibles), force de frappe que n'offre pas le froid magnétique selon les techniques connues aujourd'hui.
3. Le froid magnétique offre sa puissance frigorifique pour les phases de fonctionnement en charge partielle pour le maintien de la température au niveau d'une consigne, phases pour lesquelles quelques kilowatts suffisent.
On le voit donc, cette association permet de garder les avantages écologiques tout en augmentant l'autonomie de la cryogénie et la réduction de son OPEX. En contrepartie, il est évident que le CAPEX de la solution hybride cryogénie/magnétique sera augmenté.
Dans l'application du transport frigorifique par exemple, un camion passe entre 50% à 70% du temps de fonctionnement de son groupe cryogénique en mode « charge partielle ». On conçoit dès lors que si pendant même la moitié de ce temps le froid est assuré par le froid magnétique, cela permettra d'économiser entre 20% à 40% de son OPEX, de quoi payer le CAPEX additionnel du froid magnétique.
L'invention concerne alors un procédé de refroidissement ou de maintien en température de produits thermosensibles tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires, dans des installations fixes ou mobiles telles les chambres froides fixes ou les véhicules de transport et de distribution de tels produits thermosensibles, où le froid nécessaire au refroidissement ou au maintien en température des produits est fourni par l'injection directe ou indirecte d'un fluide cryogénique dans l'espace comportant les produits, et où dans le cas d'une injection indirecte le fluide cryogénique est acheminé jusqu'à un ou plusieurs échangeurs thermiques situés à l'intérieur de l'espace comportant les produits, se caractérisant en ce que durant au moins une des phases de refroidissement ou maintien que comporte le procédé, tout ou partie du froid nécessaire est fourni par l'utilisation d'un froid magnétique.
On illustre ci-dessous un exemple de mise en oeuvre de l'invention. Pour le cas des camions frigorifiques et plus largement pour les chambres froide ou cellules climatiques, le groupe cryogénique est alimenté tant que la température de l'air à refroidir est supérieure à la température de consigne à atteindre (dans la chambre comportant les produits). Lorsque la température de l'air s'approche de la consigne, par exemple à ± 1 °C, on ordonne un arrêt progressif du groupe cryogénique par fermeture progressive de la vanne d'alimentation en cryogène ou encore par une fermeture progressive de la vanne gaz en sortie d'échangeur s'il s'agit d'un groupe cryogénique à injection indirecte.
A l'instant où l'on ordonne un arrêt progressif du groupe cryogénique, on ordonne également le démarrage du groupe magnétique qui aura pour rôle le maintien de la température de l'air autour de sa consigne. Dès lors que la température de l'air est de quelques degrés supérieurs à la température de consigne, on ordonne une remise en route du groupe cryogénique et l'arrêt du groupe magnétique.
On peut résumer ci-dessous un exemple de fonctionnement selon l'écart entre la température de l'air régnant dans l'espace de stockage des produits et la consigne visée :
i) Tair - Tcons > a : fonctionnement du groupe cryogénique en pleine puissance ; j) b<Tair - Tcons <a : fonctionnement simultané du groupe cryogénique à puissance réduite et du groupe magnétique ;
k) -b<Tair - Tcons < + b : fonctionnement du groupe magnétique seul. A titre illustratif on peut donner les valeurs d'exemple suivantes pour les bornes a et b :
- la valeur de a est située dans la gamme allant de 5°C à 10°C, préférentiellement voisine de 5°C.
- la valeur de b est située dans la gamme allant de 1 °C à 2°C, préférentiellement voisine de 1 °C.

Claims

Revendications
1. Procédé de refroidissement ou de maintien en température de produits thermosensibles tels les produits pharmaceutiques et les denrées alimentaires, dans des installations fixes ou mobiles telles les chambres froides fixes ou les véhicules de transport et de distribution de tels produits thermosensibles, où le froid nécessaire au refroidissement ou au maintien en température des produits est fourni par l'injection directe ou indirecte d'un fluide cryogénique dans l'espace comportant les produits, et où dans le cas d'une injection indirecte le fluide cryogénique est acheminé jusqu'à un ou plusieurs échangeurs thermiques situés à l'intérieur de l'espace comportant les produits, se caractérisant en ce que durant au moins une des phases de refroidissement ou maintien que comporte le procédé, tout ou partie du froid nécessaire est fourni par l'utilisation d'un froid magnétique (1 , 2, 3, 4).
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