Procédé de refroidissement de produits, notamment alimentaires, par immersion dans un liquide cryogénique, en présence d'ultrasons

La présente invention concerne un procédé de refroidissement de produits, notamment alimentaires, par immersion dans un fluide cryogénique liquide à la pression atmosphérique en présence d'ultrasons.

Les techniques de refroidissement de produits, en particulier alimentaires, par immersion dans un bain d'un fluide cryogénique (le plus couramment de l'azote liquide) sont bien connues, les équipements munis d'un bain sont conçus pour que les produits se refroidissent au contact du fluide qui absorbe la chaleur et s'évapore. Mais la vaporisation crée une couche gazeuse néfaste au transfert thermique ralentissant ainsi le refroidissement des produits.

Les produits sont transportés soit par un convoyeur plongé également dans le bain soit par des vibrations mécaniques appliquées à l'auge formant le bain ou par un système d'entrainement des produits. On sait que les mouvements ainsi générés compensent en partie les phénomènes de caléfaction. Ces systèmes sont conçus pour le transport des produits et non pas pour l'amélioration de l'échange thermique. Ainsi on constate que les phénomènes de caléfaction provoquent toujours dans de telles solutions antérieures un ralentissement au refroidissement.

La présente invention s'attache à augmenter les coefficients d'échange thermique entre des produits plongés dans un bain constitué d'un fluide cryogénique.

Comme on le verra plus en détail dans ce qui suit, la présente invention propose l'amélioration du transfert thermique d'un équipement utilisant un bain de liquide cryogénique par la mise en œuvre d'ultrasons.

Sans être en aucune façon limité par l'explication qui suit, on peut penser que la présence d'ultrasons permet de réduire de façon partielle ou totale les effets de la couche gazeuse qui se développe à l'interface fluide cryogénique /produit, et donc de refroidir plus rapidement les produits et ainsi d'augmenter la capacité des équipements existant sur le marché.

Mais la Demanderesse est consciente que si ce mécanisme peut proposer une explication aux résultats observés, d'autres phénomènes peuvent également y contribuer.

L'invention s'attache en particulier aux cas suivants:

- Le bain est de l'azote liquide

- Le bain est un mélange d'azote liquide et de particules de neige carbonique ;

- Le bain est un mélange d'azote liquide et de particules de neige hydrique (H ₂ O).

La Demanderesse a en effet pu constater dans chacun de ces cas une augmentation du coefficient d'échange par rapport au bain du fluide cryogénique seul en l'absence d'ultrasons.

La présente invention propose donc un procédé de refroidissement de produits, notamment alimentaires, par immersion des produits dans un bain d'un fluide cryogénique, se caractérisant en ce que durant tout ou partie de l'immersion, le bain est soumis à des ultrasons.

On l'a donc compris à la lecture de ce qui précède, l'invention propose d'adjoindre un générateur d'ultrasons à un équipement dans lequel un bain d'un fluide cryogénique est utilisé pour refroidir par immersion des produits. Selon un des modes de mise en œuvre de l'invention, l'équipement de refroidissement par immersion est du type comportant une auge, une alimentation en fluide cryogénique, par exemple en azote liquide, et un système vibrant pour le transport des produits au sein de l'auge, équipement que l'on munit selon la présente invention de transducteurs fixés sur les parois

de l'auge (conformément à la figure unique annexée). Les ultrasons générés se propagent dans l'azote liquide par l'intermédiaire des parois de la cuve lorsque le système de transducteurs est situé à l'extérieur ou directement transmis lorsque les transducteurs sont immergés dans l'azote liquide. Un tel équipement de type « à support vibrant » est par exemple décrit dans le document EP-A-505 222 ou encore le document EP-1 613 908.

Un des modes possible de fonctionnement d'un tel système à support vibrant est le suivant : on injecte une quantité d'azote liquide dans le bac, qui est par exemple en configuration de pente légèrement montante. Le trop plein de liquide sort de l'appareil avec les produits. L'azote est alors séparé des produits par une grille située en sortie de dispositif. L'azote ainsi récupéré est recyclé : il est collecté dans une réserve puis pompé par une pompe à piston et repart dans le bac de traitement.

Selon d'autres modes de fonctionnement de ces systèmes à auge, l'équipement ne comporte plus de recirculation de fluide cryogénique, le niveau d'azote liquide dans l'auge est contrôlé et un appoint est réalisé en permanence au fur et à mesure de l'évaporation.

Le niveau d'azote est en général maintenu sensiblement constant dans un réservoir grâce à une vanne pilotée par une sonde qui en mesure le niveau d'azote liquide.

Ainsi l'azote circule en circuit semi fermé , il ne sort du circuit que par évaporation au contact des produits, cette sortie d'azote est compensée en permanence par l'alimentation de la réserve. Les produits ne font qu'un seul passage dans le bac.

L'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :

- Le bain est de l'azote liquide ;

- Le bain est un mélange d'azote liquide et de neige carbonique ; - Le bain est un mélange d'azote liquide et de neige hydrique (H ₂ O).

- le procédé est mis en œuvre dans un équipement de refroidissement par immersion de type « à support vibrant » comportant une auge, une alimentation en fluide cryogénique, par exemple en azote liquide, et

un système vibrant pour le transport des produits au sein de l'auge, équipement que l'on munit selon la présente invention de transducteurs fixés sur les parois de l'auge.

Selon un des modes de mise en œuvre de l'invention, on utilise un fluide cryogénique dont la densité est proche de celle de l'azote liquide, ce qui est un point très avantageux dans la mesure où le mélange est alors stable et ne nécessite pas une agitation mécanique.

En effet, dans le cas général, les fluides cryogéniques additionnés de particules (neige carbonique, hydrique..) doivent être agités mécaniquement pour les homogénéiser, les particules solides ayant tendance sinon à se déposer dans le fond du bain. Cette séparation est due à la différence de densité entre les particules et l'azote liquide. Or la glace d'eau à une densité assez proche de celle de l'azote liquide ce qui fait que la décantation est plus lente. On préférera donc mettre en œuvre des mélanges azote liquide/neige hydrique puisqu'un tel mélange pourra être maintenu homogène par une faible agitation mécanique, voire par les ultrasons voire tout simplement par l'agitation provoquée par les produits à refroidir eux même.

A titre illustratif, les transducteurs génèrent des ultrasons dans une plage de 20 à 4OkHz et de préférence entre 30 et 4OkHz. La puissance acoustique est comprise typiquement entre 0.2 à 2 W/cm ² .

La charge en cristaux (de neige carbonique ou de neige hydrique H ₂ O) apportée au bain d'azote doit être renouvelée périodiquement. En effet une partie des cristaux se sublime lorsqu'il s'agit de CO ₂ et sont entraînés par les produits et évacués du bain au cours du temps.

A titre illustratif (selon les produits à traiter) on peut envisager une quantité de cristaux dans une gamme allant de 20% à 60% de la masse du mélange. Cette quantité sera contrôlée par la durée de l'injection d'eau ou de CO2 liquide.

L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples qui suivent.

Les augmentations du coefficient d'échange mesurées dans un bain de deux litres de contenance et reportées dans le tableau qui suit sont exprimées suivant le cas : - Sans ultrasons : par rapport à un bain d'azote liquide seul.

- Avec ultrasons : entre le bain considéré sans particules et en présence de particules.

Les cas d'azote liquide additionné de particules de glace étaient agités mécaniquement pour homogénéiser les bains. On notera que la mesure du coefficient d'échange est réalisée à partir d'une sphère de cuivre munie d'un capteur de température; le relevé de la température en fonction du temps à partir du moment où la sphère est immergée permet de calculer le flux de chaleur échangé. La surface de la sphère et sa température de surface permettent ensuite de déterminer le coefficient d'échange.

Pour chaque situation (avec ou sans ultrasons, avec ou sans particules) plusieurs mesures sont effectuées.

Ces résultats montrent sans ambiguïté tout le bénéfice que l'on obtient en mettant en œuvre des ultrasons au niveau d'un tel bain.

Et l'on peut constater, même si l'effet n'est pas nécessairement bien compris, que l'ajout de particules de neige semble permettre d'atteindre un transfert thermique particules solides / produits qui est meilleur que celui intervenant entre le liquide cryogénique et le produit.