Le guide de l'ingénieur pour les tunnels de refroidissement : Une plongée en profondeur dans les principes techniques
Introduction : Au-delà du refroidissement industriel
Un tunnel de refroidissement est un élément clé des processus de fabrication. Il est conçu pour abaisser la température des produits avec précision et contrôle. Mais il ne se contente pas de refroidir les produits. Il s'agit d'un système complexe qui repose sur des principes d'ingénierie éprouvés.
Le bon fonctionnement d'un tunnel de refroidissement dépend de l'interaction de trois domaines principaux. Il s'agit de la thermodynamique, de la dynamique des fluides et de la conception mécanique. Pour atteindre une température centrale spécifique dans un temps donné, vous devez comprendre ces domaines en profondeur.
Le présent Ce guide offre aux ingénieurs des procédés un outil technique complet. de la répartition. Nous commencerons par la science de base du transfert de chaleur. Ensuite, nous démonterons les pièces mécaniques d'un tunnel moderne. Nous examinerons également les différentes technologies de refroidissement que vous pouvez choisir.
Enfin, nous aborderons les principaux facteurs de conception, les calculs de performance et les systèmes de contrôle qui assurent la réussite de l'installation d'un tunnel de refroidissement. Vous devez comprendre des concepts tels que la charge thermique et le temps de séjour. Ces notions sont les suivantes essentiel pour la spécification et l'exploitation de cet équipement bien.
Le cœur du refroidissement : Une décomposition thermodynamique
La principale fonction d'un tunnel de refroidissement est de déplacer la chaleur. Il est important de comprendre que le refroidissement n'ajoute pas du "froid" à quelque chose. Au contraire, il élimine l'énergie thermique d'un produit de manière systématique et efficace.
Cette élimination d'énergie s'effectue par trois voies différentes : la conduction, la convection et le rayonnement. L'une de ces méthodes est généralement la plus efficace. Mais les trois sont présentes et contribuent au processus global de refroidissement.
Conduction : Transfert par contact direct
La conduction déplace la chaleur par contact physique direct. Dans un tunnel de refroidissement, cela se produit principalement là où les le fond du produit touche la bande transporteuse.
La vitesse à laquelle la chaleur se déplace par conduction dépend de plusieurs facteurs. La conductivité thermique du matériau de la bande est importante. Il en va de même de la conductivité propre du produit et de la surface en contact avec la bande. Bien qu'il s'agisse d'un facteur, il est souvent moins important que la convection, à moins que vous n'utilisiez une bande de refroidissement conductrice spéciale.
La convection : Le cheval de bataille du refroidissement
La convection forcée assure la majeure partie du transfert de chaleur dans les tunnels de refroidissement. Elle utilise un fluide froid en mouvement, généralement de l'air, qui circule à la surface du produit.
Des ventilateurs ou des soufflantes créent ce flux d'air. L'air en mouvement extrait la chaleur de la surface du produit et l'évacue vers le serpentin d'évaporation de l'unité de réfrigération. La rapidité du refroidissement dépend de la différence de température entre l'air et le produit, ainsi que de la vitesse de déplacement de l'air.
Voici une règle utile : si l'on double la vitesse de l'air par rapport à un peut améliorer le transfert de chaleur par convection de manière significative. Cette augmentation est souvent comprise entre 60 et 80%. Cela montre l'importance d'une bonne conception des flux d'air pour les performances du tunnel.
Rayonnement : L'échange d'énergie invisible
Le transfert de chaleur par rayonnement permet d'échanger de l'énergie par le biais d'ondes électromagnétiques. Le produit chaud émet un rayonnement thermique. Les surfaces intérieures plus froides de l'enceinte du tunnel absorbent ce rayonnement.
Cette méthode est d'autant plus importante que l'écart de température entre le produit et les parois du tunnel augmente. Dans les tunnels cryogéniques, où la température des parois est extrêmement basse, le rayonnement joue un rôle important dans l'évacuation globale de la chaleur.
Tableau 1 : Analyse comparative des modes de transfert de chaleur dans un tunnel de refroidissement
Fonctionnalité | Conduction | Convection | Rayonnement |
Mécanisme primaire | Transfert moléculaire direct (du produit à la ceinture) | Chaleur emportée par l'écoulement du fluide (surproduit de l'air) | Émission d'ondes électromagnétiques (du produit aux murs) |
Facteurs de contrôle | Conductivité thermique du matériau, surface de contact | Vitesse de l'air, température de l'air, propriétés des fluides | Emissivité de la surface, différence de température (à la puissance 4) |
Contribution type | Faible à modéré (très dépendant de la base de produits) | Élevé (souvent 70-90% du refroidissement total) | Modérée (augmente avec des différences de température plus importantes) |
Optimisation Méthode | Sélection du matériau de la bande, assurant un bon contact avec le produit | Augmentation de la vitesse du ventilateur, diminution de la température de l'air | Peindre les murs intérieurs en noir mat à haute émissivité |
Anatomie d'un tunnel moderne : Composants clés
Un tunnel de refroidissement réunit des pièces mécaniques et électriques en un seul système. Vous devez comprendre la fonction de chaque pièce pour pouvoir la spécifier, la faire fonctionner et l'entretenir correctement.
L'enceinte isolée
La principale fonction de l'enceinte est de créer un environnement thermiquement séparé. Elle empêche la chaleur et l'humidité ambiantes de pénétrer dans la zone de traitement. Cela augmenterait la charge de réfrigération et réduirait l'efficacité.
Ces enceintes sont généralement constituées de panneaux en acier inoxydable remplis de mousse de polyuréthane haute densité. L'épaisseur des panneaux, la conception des joints et l'étanchéité à l'air sont des détails essentiels. Ils déterminent l'intégrité thermique et les performances hygiéniques du tunnel.
Le système de convoyage
Le système de convoyage déplace le produit dans le tunnel à une vitesse contrôlée avec précision. Cette vitesse détermine directement le temps de séjour.
Les types de bandes varient considérablement en fonction de ce que vous fabriquez. Les options comprennent des bandes en plastique solide, en treillis métallique et en plastique modulaire. Le système d'entraînement utilise presque toujours un moteur à entraînement à fréquence variable (VFD). Cela permet un contrôle précis de la vitesse.
D'après notre expérience, le choix d'un variateur de vitesse avec une large plage de vitesse est crucial pour la flexibilité du processus. Pour les confiseries délicates, une fonction de démarrage en douceur empêche le déplacement du produit pendant les cycles de démarrage et d'arrêt.
Réfrigération et CTA
L'unité de réfrigération et de traitement de l'air (AHU) est le cœur du système de refroidissement. Cette unité refroidit l'air et le déplace dans l'enceinte du tunnel.
Il fonctionne selon un cycle standard de compression de vapeur. Celui-ci utilise un compresseur, un condenseur, un détendeur et un serpentin d'évaporation. Le serpentin d'évaporation est la partie de la CTA où l'air en circulation est refroidi.
Une bonne conception du plénum de distribution d'air et des conduits est essentielle. L'objectif est de fournir un flux d'air et une température uniformes et constants au produit sur toute la largeur et la longueur du convoyeur. Cela permet d'éliminer les points chauds ou froids.
Le panneau de contrôle (HMI/PLC)
Le panneau de commande est le cerveau du tunnel. Il permet aux opérateurs de régler, de surveiller et d'ajuster tous les paramètres critiques du processus.
Les systèmes modernes sont passés de simples thermostats et cadrans manuels à des systèmes sophistiqués. Ceux-ci utilisent la technologie des automates programmables (PLC) avec une interface homme-machine (IHM) à écran tactile.
Ce niveau de contrôle permet des réglages précis et répétables de la température, de la vitesse de la bande et de la vitesse du ventilateur. C'est essentiel pour garantir une qualité constante des produits.
Une analyse approfondie des technologies de refroidissement
La façon dont vous appliquez l'air froid ou une surface froide au produit est tout aussi importante que la température elle-même. Le choix de la technologie a des effets majeurs sur les taux de refroidissement, la qualité du produit et les coûts d'exploitation.
Air pulsé à convection
La convection forcée standard est la technologie de refroidissement la plus courante et la plus polyvalente. Elle fait circuler un grand volume d'air réfrigéré à une vitesse relativement faible dans l'ensemble du tunnel.
Cette méthode est fiable et rentable. Elle convient à de nombreux produits, qu'il s'agisse de produits de boulangerie, de snacks, de confiserie ou de plats préparés.
Refroidissement par impaction d'air
La technologie de l'impaction de l'air est un grand pas en avant dans l'intensité du refroidissement. Elle utilise des réseaux de buses pour diriger des jets d'air froid à grande vitesse directement sur les surfaces supérieure et inférieure du produit.
L'idée clé ici est de briser la "couche limite" d'air isolante du produit. En traversant cette couche, l'impact augmente considérablement le coefficient de transfert de chaleur par convection. Il en résulte des temps de refroidissement beaucoup plus rapides qu'avec la convection standard.
Cette technologie est idéale pour fixer rapidement la surface d'un produit. Les exemples incluent la formation d'une croûte de chocolat ou le refroidissement de produits plats tels que les biscuits, les bases de pizza et les galettes de viande.
Refroidissement indirect par conduction
Le refroidissement indirect par conduction n'utilise pas l'air comme principal fluide. Au lieu de cela, le produit se déplace directement sur une bande solide en acier inoxydable ou en plastique qui est refroidie par le dessous par un fluide circulant, tel que du glycol ou de l'eau froide.
Cette méthode permet un refroidissement intense et efficace jusqu'au fond du produit. C'est un excellent choix pour les liquides, les boues ou les produits semi-solides tels que les sauces, les purées et les garnitures de confiserie qui peuvent être étalées en une fine couche.
Refroidissement cryogénique (LN2 / CO2)
Le refroidissement cryogénique utilise l'énorme capacité de refroidissement libérée lors du changement de phase de l'azote liquide (LN2) ou du dioxyde de carbone (CO2). L'azote liquide bout à -196°C (-320°F) et le CO2 se sublime à -78,5°C (-109,3°F).
Lorsqu'ils sont pulvérisés dans le tunnel, ces cryogènes absorbent instantanément des quantités massives de chaleur du produit. Il en résulte un refroidissement ou une congélation ultra-rapide. Ce procédé est essentiel pour préserver la structure cellulaire et la qualité des produits de grande valeur.
Les applications comprennent la congélation rapide individuelle (IQF) des fruits de mer et de la volaille, le maintien de l'humidité pour les produits de viande cuits et la réfrigération des plats préparés de qualité supérieure pour lesquels la qualité est primordiale.
Tableau 2 : Comparaison technique des technologies des tunnels de refroidissement
Technologie | Taux de refroidissement | Coût du capital (CAPEX) | Coût d'exploitation (OPEX) | Avantage principal | Application idéale |
Air pulsé | Modéré | Faible | Faible | Simplicité, polyvalence | Usage général, boulangerie, confiserie |
Implication | Haut | Moyen | Moyen | Refroidissement rapide et uniforme | Produits plats, croûtes de surface, produits précuits |
Indirect | Modéré à élevé | Haut | Faible | Excellent pour les liquides et les boues | Sauces, purées, garnitures de confiserie |
Cryogénique | Très élevé | Moyen à élevé | Haut | Vitesse extrême, qualité préservée | Fruits de mer IQF, protéines de haute valeur, médical |
Paramètres de conception et calculs critiques
La spécification ou la conception d'un tunnel de refroidissement nécessite une approche technique structurée. Passer des exigences du produit aux spécifications de l'équipement implique plusieurs calculs critiques et considérations de conception. Ce document sert de liste de contrôle pour l'ingénierie de tout nouveau projet de refroidissement.
Calcul de la charge thermique totale
La charge thermique totale est la quantité totale d'énergie thermique que le système de réfrigération doit éliminer par unité de temps. C'est le calcul le plus important pour dimensionner un tunnel de refroidissement. Cette charge se compose de plusieurs éléments distincts.
- Chargement du produit : Il s'agit de la charge principale, qui représente la chaleur dégagée par le produit lui-même lorsqu'il se refroidit. Vous la calculez à l'aide de la formule Q = m * c * ΔT, où "m" est le débit massique du produit (kg/h), "c" est la chaleur spécifique du produit et "ΔT" est le changement de température requis.
- Charge d'infiltration : Il s'agit de la chaleur qui pénètre dans le tunnel par les ouvertures à l'entrée et à la sortie. Elle comprend également la chaleur provenant des fuites des panneaux ou des ouvertures des portes.
- Charge du moteur du convoyeur et du ventilateur : Toutes les pièces mécaniques à l'intérieur du tunnel génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement. Cela inclut les moteurs des ventilateurs et le système d'entraînement du convoyeur. Vous devez tenir compte de cette chaleur.
- Charge de transmission : Il s'agit de la chaleur qui traverse les murs, le plafond et le sol isolés, de l'environnement extérieur plus chaud vers l'intérieur froid du tunnel.
L'addition de ces charges individuelles détermine la puissance frigorifique totale requise. Celle-ci est généralement exprimée en kilowatts (kW) ou en BTU par heure. Il est essentiel d'effectuer ce calcul correctement pour s'assurer que le tunnel peut répondre aux exigences du processus.
Détermination du temps de séjour
Le temps de séjour est la durée totale qu'un produit passe dans l'atmosphère contrôlée du tunnel de refroidissement. Il s'agit d'un paramètre critique qui doit être suffisamment long pour permettre au produit de refroidir jusqu'à sa température à cœur cible.
Une formule simple mais cruciale le détermine : Temps de séjour = Longueur du tunnel / Vitesse du convoyeur.
Pour obtenir le profil de refroidissement souhaité, les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre la longueur du tunnel (un facteur de coût d'investissement) et la vitesse du convoyeur (un facteur de débit de production).
Contrôle du flux d'air et de l'humidité
Un refroidissement efficace dépend non seulement de la température de l'air, mais aussi de la manière dont cet air est géré. L'objectif est de créer un flux d'air turbulent autour du produit. Ce flux est beaucoup plus efficace pour évacuer la chaleur qu'un flux lisse et laminaire.
Le contrôle de l'humidité est tout aussi important, en particulier pour les produits sensibles. Si la température de la surface d'un produit tombe en dessous du point de rosée de l'air à l'intérieur du tunnel, de la condensation se forme.
Cela peut s'avérer désastreux pour des produits tels que le chocolat, où il provoque une "efflorescence de sucre". Ce défaut crée une surface terne et granuleuse. Une bonne conception des CTA et la gestion des infiltrations d'air sont essentielles pour contrôler l'humidité.
Contrôles modernes et industrie 4.0
Les systèmes de contrôle des tunnels de refroidissement ont considérablement évolué. L'industrie est passée des cadrans et interrupteurs manuels de base à des systèmes automatisés très sophistiqués. Ceux-ci offrent des avantages considérables en termes de cohérence, de traçabilité et d'efficacité.
Les systèmes modernes sont construits autour d'un PLC et d'un écran tactile HMI. Cette plate-forme offre des fonctions puissantes telles que la gestion des recettes. Vous pouvez stocker et rappeler des dizaines d'ensembles de paramètres uniques pour différents produits d'une simple pression.
Ces systèmes permettent également l'enregistrement de nombreuses données pour l'assurance qualité et la traçabilité. Ils offrent un historique détaillé des alarmes pour un dépannage plus rapide. Ils offrent également des possibilités de diagnostic à distance pour les fournisseurs d'équipement.
Tableau 3 : Niveaux de systèmes de contrôle des tunnels de refroidissement
Niveau | Interface de contrôle | Caractéristiques principales | Meilleur pour |
De base | Cadrans et interrupteurs physiques | Contrôle manuel de la température et de la vitesse. | Opérations à petite échelle, entrée à faible coût. |
Intermédiaire | Écran tactile HMI avec PLC | Stockage des recettes, enregistrement des alarmes, affichage des données de base. | La plupart des lignes de production standard qui a besoin de consistance. |
Avancé | Intégration SCADA, IIoT | Contrôle centralisé, données historiques, alertes de maintenance prédictive, accès à distance. | Usines automatisées à grande échelle nécessitant une intégration complète des données. |
Conclusion : Synthèse des principes de performance
L'efficacité d'un tunnel de refroidissement ne se limite pas à sa capacité à être froid. Il s'agit d'un système conçu avec précision, dont les performances résultent de la combinaison de principes fondamentaux.
Un refroidissement optimal est le résultat d'une thermodynamique appliquée, d'une conception mécanique robuste et d'un contrôle intelligent et réactif. Chaque élément joue un rôle essentiel. Cela va du calcul de la charge thermique à la conception du flux d'air.
À mesure que l'industrie progresse, plusieurs tendances continueront à façonner l'évolution de la technologie des tunnels de refroidissement. Il s'agit notamment de la recherche d'une plus grande efficacité énergétique, d'un contrôle plus strict des processus et d'une fabrication plus intelligente et axée sur les données.
- Transformation et ingénierie des aliments | Science et technologie des aliments | Virginia Tech https://www.fst.vt.edu/research/food-processing-and-engineering.html
- Technologies avancées de réfrigération | US EPA https://www.epa.gov/greenchill/advanced-refrigeration-technologies
- Génie alimentaire - FABE - Université de l'État de l'Ohio https://fabe.osu.edu/future-students/majors/food-agricultural-and-biological-engineering/food-engineering
- Institute for Food Science and Engineering | National Agricultural Library (USDA) https://www.nal.usda.gov/research-tools/food-safety-research-projects/institute-food-science-and-engineering-1
- Ingénierie des systèmes alimentaires | Université de l'Arkansas https://food-science.uark.edu/research-outreach/research/food-systems-engineering.php
- EARTH Hub - Technologie des fluides frigorigènes | Université du Kansas https://erc-earth.ku.edu/
- Ingénierie des procédés alimentaires | Illinois Institute of Technology https://www.iit.edu/academics/programs/food-process-engineering-ms
- Optimisation des tunnels de refroidissement SMIP | CESMII https://www.cesmii.org/project/sopo-2331/
- Tunnels de refroidissement Transformation des aliments | Frain Group https://www.fraingroup.com/cooling-tunnels-food-processing/
- Comprendre les tunnels de refroidissement et de chauffage industriels | Genemco https://www.genemco.com/blogs/news/title-exploring-the-mechanics-of-industrial-cooling-and-heating-tunnels
