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La présente invention concerne de façon générale,la réfrigération des denrées périssables, comme les produits des industries horticoles, agri- coles et d' emballage des viandes, et plus particulièrement le refroidisse- ment des viandes, dont elle vise à réduire les pertes en eau au minimum afin d'éviter non seulement une déperdition en poids, mais également une détérioration de la texture de la viande réfrigérée et de sa présentation.
L'invention fournit un procédé de refroidissement et de réfri- gération pour les denrées périssables sans dessiccation excessive, et consiste à placer celles-ci, de la viande par exemple, dans un espace clos, et à y introduire de l'air sursaturé d'eau à l'état de vapeur en quantité supérieure à celle que l'air peut retenir normalement dans les conditions de pression et de température existantes, et non' comme un excès d'eau en sus- pension dans l'air sous forme de particules d'eau libre.
Dans les installations actuelles de refroidissement des viandes à température de magasinage sûre, les quartiers de viande venant de l'abat- toit, sont suspendus dans un espace réfrigéré dont le refroidissement s' effectue par convection au moyen de parois tubulaires à travers lesquelles on fait circuler un liquide frigorigène comme de la saumure.Même pn n'in- troduisant pas d'air frais à-l'intérieur de l'enceinte réfrigérée,la perte de poids due à l'évaporation de l'humidité de la viande pendant la période de temps nécessaire pour amener cette dernière à la température de conservation, atteint 2 ou 2,5%, puis la perte de poids se stabilise aux environs de 0,5% par jour.On pense que cette déperdition de poids représente la perte en eau de la viande par dessiccation dans,
le milieu où elle est suspendue pour être refroidie.Cette diminution de l'humidité de la viande représente non seulement une perte immense lors de la vente de celle-ci,ou des autres denrées périssables, mais elle est également indésirable tant du point de vue de la qualité et de la texture que du goût et de la présentation.
La présente invention se propose de fournir un procédé de refroidissement des viandes réduisant de façon sensible la quantité d'humidité perdue par celles-ci ; opère une réfrigération rapide et efficace des vi- andes et autres produits alimentaires, en augmentant ainsi non seulement la quantité de viande pouvant être refroidie dans un espace donné par unité de temps,mais en réduisant également la durée de la réfrigération et de ce fait,l'espace de temps disponible pour la déperdition d'humidité pendant le cycle de refroidissement;qui évite la présence d'humidité libre à la surface des viandes et de cas fait l'avarie ou la décoloration par ressuage ou autres réactions que cette humidité est susceptible de provoquer;
qui est adaptable non seulement à la réfrigération des viandes, mais sonvient également à la conservation d'autres produits alimentaires et de produits refermant de l' humidité comme un élément utile, par exemple des légumes, des fleurs, des fruits et d'autres produits alimentaires, et corrélativement l'invention a pour but de fournir un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé de réfrigération.
En bref,la présente invention consiste en un procédé de réfrigération dans lequel une chambre close, contenant les quartiers de viande, ou d' autres denrées périssables à refroidir, est maintenue à la température de réfrigération par une circulation d'air pénétrant dans la chambre à l' état sursaturé et qui, de préférence, conservera cet état à l'intérieur de celle-ci.Le terme " sursaturé" signifie que de la vapeur d'eau est présente dans l'air en quantité supérieure à celle que l'air est normalement capable de retenir dans les conditions de température et de pression existantes,cet état devant être différencié de la présence d'un excès d'humidité dans l' air sous forme d'eau à l'état libre, soit en particules soit à l'état d'aéro- sol,
et dans lequel la quantité d'humidité présente n'est pas supérieure celle pouvant être retenue à la saturation.
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En vue de fournir de l'air sursaturé à une chambre de réfrigéra- tion,l'air dans la chambre est recyclé et soumis pendant le recyclage à une compression, à un refroidissement et à une détente, Dans le stade de compres- sion,l'air est prélevé de la chambre à l'état de saturation ou à son voisi- nage et est comprimé,par un ventilateur centrifuge par exemple, ou par un autre dispositif.Le travail que l'air subit pendant sa compression donne naissance à assez de chaleur pour provoquer une élévation de température de l'air comprimé de 2,3 à 7 C au-dessus de celle de l'air admis au stade de compression,suivant le degré de compression, de sorte que l'air qui quit- te le stade de compression aura "2,3 à 7 C d'insaturation", autrement dit,
la quantité d'humidité présente sous forme de vapeur d'eau dans l'air compri- mé serait suffisante pour le saturer à une température plus basse de 2,3 à 7 C.
L'air comprimé à l'état "insaturé" passe du stade de compression dans un dispositif échangeur de chàleur traversépar un réfrigérant qui main- tient la température des serpentins de préférence légèrement au-dessus de l'air sortant de la chambre froide pour pénétrer dans le dispositif de compression.Dans l'échangeur de chaleur, de la chaleur provenant de la com- pression est extraite de l'air,de préférence sans le refroidir à une tempé- rature inférieure à celle à laquelle il pénètre dans le compresseur, et sans l'exposer au contact d'une surface qui soit au-dessous de cette' température.
Il en résulte que la quantité de vapeur d'eau en suspension dans l'air pen- dant son passage à travers le dispositif de refroidissement reste sensible- ment équivalente à celle présente dans l'air admis au stade de compression, mais du fait que cet air est à une température plus élevée,cette quantité de vapeur d'eau peut être légèrement inférieure à celle nécessaire pour la saturation .Dans ces conditions, la tendance de la vapeur d'eau continue dans l'air à se condenser à la surface des serpentins sera faible pendant le stade de refroidissement.
Du stade... de refroidissement,dont l'air comprimé sortant peut être considéré pratiquement comme étant saturé, ou très proche de l'état de saturation par la vapeur d'eau, cet air est admis dans des turbines en vue de son expansion jusqu'à des pressions normales tout en fournissant de l' énergie en entraînant la turbine, l'air en se détendant subissant un re- froidissement qui est fonction du degré de compression qu'il a subi anté- rieurement.
Dans des conditions préférées normles et pratiques, dans lesquelles une compression de 0,035 - C, 21 kg/cm est possible,l'air subira un refroidissement d'environ 1,4 à 5,6 C.Après s'être refroidie par ex- pansion tout en fournissant du travail, la vapeur d'eau présente dans l'air à l'origine reste à l'éta'' @ vapeur, dans un état qui sera dénommé ci- après " métastable", à l'exception de petites quantités qui peuvent se précipiter autour de particules de pctissière ou autour d'autres noyaux flot- tant dans l'air, et qui sont présentsprincipalement au début du cycle de refroidissement.Etant donné que la teneur en humidité de l'air avant son expansion était égale ou très proche de la saturation,
la quantité de vapeur que renferme l'air refroidi de 1,4 à 5,6 C sera supérieure à celle suffi- sante pour saturer cet air d'une quantité qui sera désignée ci-après en disant que cet air présente une sursaturation de X degrés, autrement dit,que la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air serait suffisante pour assurer la saturation à une température plus élevée de X degrés.
En utilisant pour la réfrigération de l'air sortant de la turbins d' expansion à l'état sursaturé, ou en le détendant à travers un détendeur pour ltintroduire dans la chambre froide, on supprime à peu près entière- ment une évaporation de l'humidité à la surface des viandes conservées,ou autres denrées périssables, ce qui réduit, et en pratique élimine complè- tement toute perte de poids de la viande pendant le cycle de refroidissement
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et réfrigération,Du fait de la présence d'air à l'état sursaturé,il est possible pour la première fois de faire circuler l'air à grande vitesse sur les viandes, ou autres produits, afin de réduire au minimum l'épaisseur de la couche statique d'air qui isole les viandes ou autres produits,
et par suite d'augmenter fortement la vitesse du transfert de chaleur de la viande, sans pour autant accroître les pertes de poids par dessiccation.
Dans le passé,les mouvements rapides d'air sur les viandes étaient à proscri- re, car la vitesse de dessiccation de la viande s'en trouvait augmentée dans une prpportion que ne pouvait plus compenser l'augmentation de vitesse de leur refroidissement.Ainsi) l'utilisation pour le refroidissement d'air sursaturé renfermant de l'humidité sous forme de vapeur, par opposition à la présence d' humidité libre du d'air " insaturé" accélère grandement le régime du transfert de chaleur de la viande, ou d'autres denrées périssables, sans entraîner de dessiccation'excessive,en'permettant ainsi dé réduire notamment la durée du cycle de refroidissement,' ce qui a pour'effet non seul lement de réduire le temps'disponible pour les pertes de poids,
mais augmen- te également le roulement de la chambre froide et en permet une-utilisation plus efficace,
En essayant de réduire la dessiccation au minimum, Zarotschenzeff (Brevet des Etats-Unis d' Amérique N 2.065.358 du 22 décembre 1936) et d'autres ont utilisé de l'air réfrigéré dans lequel ils introduisaient de la saumure ou de l'eau sous forme d'une pluie fine ou atomisée (aérosol), en quantités supérieures à celles pouvant être présentes dans l'air comme vapeur d'eau.Toutes les lois de la nature s' opposent à l'évaporation de plus de vapeur que ne peut en retenir l'air à l'état saturé, de sorte qu' il n'est pas possible d'obtenir de cette manière de l'air sursaturé de fa- çon assurée.
Lorsque de l'air saturé, ou proche de la saturation,entre en contact avec la couche d'air plus chaud proche de la viande et en est réchauffé, cet air réchauffé devient soudain relativement plus fortement insaturé,de sorte qu'il devient capable d'absorber des quantités supplémentaires d' humidité.Il se produit une compétition entre l'humidité libre dé l'air et celle de la viande,afin de compenser ce manque d'humidité de l'air, ce qui a pour résultat de produire une dessiccation)bien qu'il soit possible qu' elle soit inférieure à celle des procédés antérieurs.De plus, la présence dans l'air d'une trop grande quantité d'humidité libre peut être nuisible en ce qu'elle peut permettre à l'eau de se déposer à la surface de la viande,
ce qui lui confère un état mouillé pouvant amener une décoloration et un ressuage et même entraîner l'avarie de cette viande,
On a établi-que la vapeur d'eau peut être présente dans l'air en quantités correspondant à la sursaturation lorsquelle est cré@@ par un procédé d'expansion du type décrit,Il se produit un état sursaturé à la su.L- te de l'expansion d'air voisin de la saturation et qui semble être un é- qulibre métastable ,c'est-à-dire un état qui reste stable en présence de petites perturbations, ou de perturbations infinitésimales et en l'absence de perturbations importantes mais qui paut se condenser et former des particules d'eau libre autour de noyaux, comme de petites particules de poussière ou d'électrons introduits par des impulsions électroniques,
De telles particules d'eau libre se formeront en petites quantités surtout au début du cycle: de refroidissement, jusqu'à ce que les particules de poussière présentes dans l'air en aient été extraites, et bien qu'elles soient observables au microscope, la quantité de vapeur d'eau se condensant en eau libre apparaît comme étant négligeable en ce qui concerne le maintien de l'état métastable de la saturation.
La chambre froide de 1'installation de réfrigération représentée sur les dessins annexés peut contenir environ 200 quartiers de boeuf, et
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permet de refroidir la viande de bocuf depuis la température d'abatage,qui est d'environ 38 C, jusqu'à la température de conservation d'environ 4,5 C, puis de les maintenir à cette température jusqu'à leur enlèvement pour être transportés dans le circuit de consommation.
Sur les dessins:
La fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un mode de réalisation d'une installation selon l'invention.
La fig. 2 est une vue de côté du dispositif de réfrigération appliqué pour la mise en oeuvre de l'invention.
La fige 3 est une vue de face du dispositif de la fig. 2, avec des parties arrachées en vue d'en laisser apparaître la construction intérieure.
Les figs. 4 et-.-5 sont des coupes du ventilateur appliqué pour la mise en oeuvre de l'invention.
La fig. 6 est une coupe de la turbine de la fig. 4, et
Les figs. 7 et 8 sont des courbes représentant le rendement en service dans diverses conditions de mise en oeuvre de l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement une construction pour la réfrigération de quartiers de boeuf.La chambre froide 10 est pourvue de parois calorifugées 11 et comporte des barres en U ou rail@s 12 qui sont suspendus au plafond et servent de support aux rails de transport 13 qui sont utilisés pour amener les quartiers de boeuf 40 de la chambre d'abattage dans la chambre froide, et duquel ils pendent accrochés à des crochets 14 jusqu'à ce qu'ils aiett été refroidis à une température assurant leur conservation, ou jusqu'à ce qu'ils soient distribués.
En sortant de l'abattoir pour entrer dans la chambre froide,les quartiers de boeuf ont une température d'environ 38 C.La température de la chambre froide elle-même peut s'élever jusqu'à environ 4,5 C,du fait de l'arrêt du recyclage de l'air réfrigérant pendant le chargement et le déchargement de la chambre.
Le dispositif de réfrigération est logé dans une chambre séparée 15, située au-dessus de la première,avec laquelle elle communique par des ouvertures 16 ménagées dans son plancher au voisinage des parois latérales 11, en-'regard des sorties de l'air à grande vitesse du dispositif de réfrigération, ainsi que par une ouverture 17 pratiquée dans le plafond 18 de la chambre froide et qui communique avec l'entrée 19 d'un ventilateur centrifuge du dispositif de réfrigération.
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Le -dispositif:' de : réfrigération, qui' est? eprésân.tê.lîx.s¯ en".é-al â lâ ¯f.g*2y compréîà. =une enveloppe 20 comportant un@ -aha.mbre:d:n:t1!::ée' .èomrnuniqü.rt .-a a 1 oirue 1 T qui lâ.e .ie à 1 "ebpàte wréfWig5rà4bmnuni- 4uant--avàd v, chambr8-dentrée 0 et logée a3.alètent à stè¯âen3$re se trouve une :,:éhain'l:D:.e de 'ventilateur 21 renfermant un'vei%ilàtsUoe.22i,n.iaiZlettte multiples solidaire'd'une partie médiane de. 'l:1'a:cbre dè.iman tission 23,Un moteur tâs::mde2 est relié au moyen de. courroies 251çxeq;1'a1é bre .2.3,auquel l-'!E!'a&et-un<Bjbuvemeht .8 ùroat3txi௠l.a Vitesse voulue.
Le ventilateur lui-même est du type à ailettes multiples et comporte une entrée 26 en forme de col au centre, munie d*ailettes 27 recourbées en arrière par rapport.au rayon afin de refouler l'air depuis la périphérique de la couronne à ailettes radialement vers l'extérieur dans le,carter, sous une pression d'environ 0,035 à 0,21 kg/cm .La chaleur de la compression a pour effet d'augmenter la température de l'air,ainsi qu'il
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a, éé é.eit il est clair qu' il est possible de faire varier la pression et la chaleur de compression suivant le'3 dimensions, le type et la
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vitesse du ventilateur utilisé,ainsi qu'en fonction des moyens mis en oeuvic pour faire varier et commander le débit de l'air.
Une chambre 29, communiquant avec la sortie 28 de la chambre du ventilateur est formée d'une tôle dont les dimensions augmentent depuis cette sortie du carter du ventilateur jusqu'à un faisceau de serpentins de refroidissement 30 à travers lesquels circule un réfrigérant destiné à ex- traire la chaleur née de la compression dé l'air comprimé qui les traverse.
En vue d' obtenir un transfert de chaleur efficace et de refroidir uniformément l'air pendant son passage entre les serpentins de refroidissement, il est préférable d'introduire les fluides réfrigérants de manière qu'ils circulent depuis l'extrémité par laquelle l'air quitte la zone de réfrigération vers l'extrémité par laquelle cet air entre, afin de créer dans les serpentins une circulation à contre-courant, assurant une réduction de température progressive et uniforme de l'air, qui se trouve insi au contact avec les parties de serpentin ayant la plus basse température lorsqu' il quitte la zone de refroidissement.La vitesse de l'air pendant qu'il passe sur les serpentins, ou sur d'autres dispositifs de refroidissement, a relativement peu d'importance,
car la température des serpentins est maintenue légèrement supérieure à celle de l'air avant sa compression,ainsi qu' il a été décrit, de sorte que l'air en passant entre les serpentins est moins saturé que l'air entrant et ne touche aucune surface capable de provoquer une sursaturation susceptible de susciter sa condensation.
Le faisceau de serpentins de refroidissement 30 barre l'ou vertu- re d'une chambre d' air 31 qui a les dimensions voulues pour s'étendre au delà des serpentins à la fois en hauteur et latéralement afin de diviser l'air comprimé et en diriger des courants séparés depuis leurs extrémités opposées vers l'avant à travers les chambres 32 vers les ouvertures d'entrée ménagées dans les carters 33 et 34 de deux turbines disposées de part et d'autre des chambres d'entrée 20 et 21 du ventilateur, dans leur alignement axial.
Ainsi que le montrent les figs. 4 et 5,chaque carter 33 et 34 renferme une turbine à ailettes multiples 35 montée rotatif sur l'arbre commun 23, sur lequel le ventilateur est également monté rotatif dans le même sens et à la-même vitesse.Les ailettes 36 sont disposées radialement et équidistantes entre elles autour de la périphérie de la roue de la tur- bine .Les extrémités 37 des ailettes du pourtour de la roue de la turbine qui sont du côté de l'entrée font un angle légèrement décalé en avant par rapport au rayon, alors que les parties .curvilignes 38 qui forment la partie intérieure des ailettes font tournées dans le sens contraire à la rotation de la turbine, afin qu' lair sortant ait un minimum de force centrifuge ou d'énergie, ainsi qu'il sera expliqué ci-dessous.
Les ailettes de turbine tournent à l'intérieur d'un carter comportant des plaques de guidage fixes dont le profil est conforme au profil latéral des ailettes afin de délimiter le parcours du courant d'air comprimé pendant sa détente, durant laquelle cet air fournit du travail et entra±ne la turbine avant de gagner, en venant de la périphérie le col de la turbine.Le travail fourni par l'air pendant son expansion est utilisé .comme énergie transmise directement à l'arbre 23 et concourt à l'entraînement du ventilateur-compresseur, l'énergie complémentaire étant fournie, suivant les besoins, par le moteur 24',L'air détendu et réfrigéré, renfermant de la vapeur d'eau en quantité supérieure à celle de saturation, sort de chacun des carters de turbine axialement du col du carter et est dirigé contre les parois latérales 11 opposées,
afin de circuler par gravita à travers les ouvertures 16 et de gagner ainsi la chambre froide située au-dessous.
Le cycle de réfrigération peut être divisé en'deux phases, qui
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seront dénommées ci-après l'une : phase initiale ou état;, instable, et l'autre, l'état stable.Pendant l'état instable, les conditions sont continuellement variables en ce qui concerne les températures de l'air traversant les différents stades du procédé du réfrigérant circulant dans les serpentins jusqu' à ce que la chambre soit refroidie à la température voulue,moment auquel commance le stade stable.
La température dans la chambre froide montera rarement au-dessus de 4, 5 - 7 C pendant que le dispositif de réfrigération est mis hors d' action et que la chambre est ouverte pour être remplie ou vidée des quartiers de boeuf ou d'autres denrées périssables .Habituellement, la quantité d'humidité de l'air de la chambre froide sera suffisante pour fournir l'état de sursaturation dans les conditions existant à l'état stable *.Au cas où cette humidité serait insuffisante, la quantité d'humidité nécessaire, ou même davantage pourrait être introduite au moment même du démarrage sous forme de jet pulvérisé,
ou bien la petite quantité d'humidité nécessaire pour la saturation de l'air entrant au stade de la compression pourrait être soutirée partiellement des linges qui entourent les quartiers de boeuf,ou. encore des sources d'humidité seraient prévues à l'intérieur de la chambre froide, mais il est préférable que l'humidité supplémentaire soit introduite d'une source extérieure.
Au cours du stade initial,le réfrigérant qui circule dans les serpentins est modifié de manière à maintenir la température de ces derniers au degré voulu au-dessus de la température de l'air entrant dans le ventilateur de compression, et ce afin de réduire au minimum la condensation,ainsi qu'il a été décrit précédemment.A cet effet, il est possible d'utiliser des dispositifs classiques de mélange commandés par des thermo-couples en vue de doser la quantité de réfrigérant à environ 0 C qui est mélangée au réfrigérant recyclé venant des serpentins, en vue d'obtenir la température désirée du réfrigérant en circulation, ou encore d'utiliser un registre afin de régler le débit du réfrigérant circulant dans les serpentins en réponse aux réactions d'un thermostat qui, de préférence, sera logé dans le courant de l'air sursaturé sortant de la turbine.
Au cas où le degré de sursaturation dans la chambre froide est tel que l'air qui pénètre dans le ventilateur de compression renferme encore un degré sensible de sursaturation, il peut se produire une condensation très limitée dans les serpentins de refroidissement afin d' éliminer l'humidité, en excès sur celle de saturation de l'air qui gagne la turbine de détente.
Cette élimination d'humidité laissera subsister dans l'air une quantité d'humidité correspondant au egré de sursaturation après détente.
Une fois que la stade stable est atteint, les conditions établies sont telles qu'aucun autre changement n'est nécessaire, et qu.'il ne se prodùit plus de condensation dans les serpentins de refroidissement; le degré de sursaturation voulu de l'air réfrigère introduit dans la chambre est ainsi maintenu, ainsi qu'il a été exposé précédemment au cours de la discussion théorique.
On comprend que le stade initial ou instable peut n'exiger que six heures environ, mais la viande étant mauvaise conductrice de la chaleur,elle ne sera pas encore refroidie à coeur à la température de conservation,de sorte qu'il peut être nécessaire de continuer à faire fonctionner le dispositif à l'état stable pendant encore dix-huit heures ou davantage,afin que les quartiers de boeuf soient refroidis à coeur.
En pratique, il est avantageux de maintenir le degré de sursaturation aussi élevé que;le permettent les conditions pratiques, afin d'assurer la présence d'une quantité d'humidité suffisante pour combattre la dessiccation des denrées périssables enfermées dans la chambra froide.
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On a constaté que'le-degré de sursaturation est en grande partie fonction de la chute de température dans la turbineEtant donné que la pression d'en- trée de la turbine est essentiellement égale à celle à la sortie du compres- seur, il est plus simple d'être à même de faire varier le débit du mélange air-vapeur d'eau qui traverse 1' appareil sans changer le rapport de compres- sion que développe la machine.
On a constaté qu'il était possible de maintenir un degré constant de sursaturation entre les limites pratiques de 0,09 à 4, 7 C, dans des con- ditions d'exigences moindres de réfrigération, en prévoyant un rapport de compression constant dans le compresseur mais-en réduisant le débit du cou- rant d'air/vapeur d'eau à travers le dispositif de réfrigération à l'aide de volets ou registres de turbulence réglables à l'entrée du ventilateur- compresseur.On peut obtenir en outre le degré constant de la sursaturation désirée en combinant les registres d'entrée et un réglage de vitesse,pour réaliser ainsi une sursaturation calculée de manière à être'la plus convenable pour les produits particuliers à conserver, tout en exigeant le minimum de dépense d'énergie et de réfrigération.
La courbe A de la fig.7 peut servir à représenter les conditions de fonctionnement d'un compresseur type.Ce dernier est choisi, en général pour travailler à son régime de pointe A-A où à son voisinage.Le fonctionne- ment à charge réduite à gauche de A-A est possible, mais il est à remarquer que le rendement tombe rapidement.L'utilisation de registres d'entrée réglables permet un fonctionnement $ charge réduite sans perte appréciable de rendement, ainsi qu'il ressort de la courbe B (fig. 8).
Les lignes en traits pleins représentent le fonctionnement avec des registres grands ouverts et correspondent à celui d'un compresseur sans registres d'entrée.Les lignes en pointillés concernent le même compresseur, les registres étant partiellement fermés, et le compresseur.tournant à la même vitesse.Ainsi qu'il ressort de l'examen des courbes, le rendement de pointe se déplace de A à B en réponse à la fermeture des registres et la pression engendrée décroît légèrement.
Au cas où il serait souhaitable d'obtenir une sursaturation plus accentuée, on pourrait y parvenir en engendrant des pressions plus élevées dans le compresseur.Il est également possible d'accélérer la vitesse du compresseur pour obtenir- des pressions plus élevées, et de fermer les registres afin de ramener le courant à sa valeur initiale ou au-dessous.En accélérant le compresseur, la pression augmente comme le carré de la vitesse et le volume en quantité directement proportionnelle à celle-ci, la puissance motrice augmentant comme le cube de la vitesse.En utilisant une commande par registres de turbulence d'entrée et une commande de vitesse, on peut augmenter la pression afin d'obtenir le degré de sursaturation voulu, cependant que les registres seront fermés pour en maintenir le volume constant.En agissant ainsi,,
la puissance croît seulement comme le carré de la vitesse, au lieu du cube, et fournit ainsi un fonctionnement plus efficace, en même temps que le règlage désiré de la sur saturation.
Bien entendu, il peut se présenter des cas dans lesquels il est souhaitable de faire subir à la viande une courte dessiccation au stade initial du cycle de réfrigération, afin de sécher les lignes et de conditionner la viande par exemple.Il est'possible, par une commande appropriée,de maintenir pendant une courte durée un certain degré d'insaturation, puis de passer aux conditions de sursaturation décrites dès que le besoin s'en fait sentir,une fois la dessiccation voulue obtenue, afin de maintenir des conditions réglées pour la réfrigération de la viande.
Il est évident que les conditions de refroidissement peuvent changer avec les différents produits, mais que la présence d'une atmosphère
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sursaturée reste également souhaitable pendant la plus grande partie du cy- cle de réfrigération, et de préférence tout au long de celui-ci.Par exemple, dans le cas du boeuf ou d'autres viandes, il est préférable dé refroidir à une température inférieure à 4,5 C et de préférence de l'ordre de 0,3 à 3,3 C, de sorte qu'il convient de maintenir les conditions pour l'introduc- tion de l'air sursaturé entre des limites de température de -0,5 à 2 C,avec au moins 0,5 C et de préférence entre 1,à 4,7 C de sursaturation.Avec des légumes, des fleurs ou avec du poisson, la température peut être différente.
L'exemple ci-dessous, montre un cycle typique de refroidissement de la viande de boeuf venant de la zone d'abattage.
Pendant que les quartiers de boeuf fraîchement tué sont emmagasi- nés dans la chambre froide, la,température de celle-ci peut monter aux alen- tours de 4,4 et 7 C. Lorsque la chambre est fermée hermétiquement et que le cycle de réfrigération démarre, sa température est abaissée pendant le stade instable jusqu'à environ -0,5 C en 6 heures environ, et est ensuite maintenue à cette température pendant toute la durée du stade stable.L'air qui pénètre à l'entrée du ventilateur sera d'ordinaire à environ 0,9 C au- dessus de la température moyenne de la chambre, et l'état stable s'établira autour de 0,5 C.Pendant son passage à travers le compresseur, la pression d'air montera à 0,035 - 0,21 kg/cm2 et la température s'élèvera à 7 C envi- ron.
Pendant le passage dans les serpentins de refroidissement la quan- tité de chaleur extraite de l'air ramènera sa température à environ 1,7 C, tout en le maintenant à une pression comprise entre 0,035 et 0,21 kg/cm .La température des serpentins peut varier suivant le rapport entre la surface et le volume, et dans l'exemple représenté, elle a été maintenue entre -2,2 et -1,7 C.En sortant de la machine de détente, l'air est à la pression de la chambre et à une température d'environ -2,2 C.Si l'air qui entre dans le ventilateur d'entrée à 0,5 C est saturé ou légèrement au-dessous de la satu- ration, la quantité d'humidité contenue, sous forme de vapeur, dans l'air sortant de la turbine à -2,2 C correspondra à l'introduction dans la chambre froide d'air ayant environ 2,3 C de sursaturation.
Il est soihaitable d'ordi- naire d'adopter un degré de sursaturation supérieur à la chute de températu- re qui se produit à travers la chambre,de sorte que l'air pénétrant dans la section de compression aura une certaine sursaturation, en entraînant ain- si une augmentation correspondante de la sursaturation de l'air sortant de la section de détente, pour entrer dans cette chambre.
Il vade soi que les moyens de réfrigération destinés à introduire de l'air sursaturé dans la .bre froide pourraient être entièrement logés à l'intérieur de cette dernière en vue de lui fournir directement l'air sur- saturé, et que d' autres changements de détail pourraient être apportés à la construction, à l'agencement et au fonctionnement de l'invention sans sortir du cadre et de l'esprit de cette dernière.
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The present invention relates generally to the refrigeration of perishable foodstuffs, such as products from the horticultural, agricultural and meat packaging industries, and more particularly to the cooling of meats, for which it aims to reduce water losses. to a minimum in order to avoid not only a loss in weight, but also a deterioration of the texture of the chilled meat and its presentation.
The invention provides a method of cooling and refrigerating perishable foodstuffs without excessive desiccation, and involves placing the same, for example meat, in an enclosed space, and introducing therein supersaturated air of 'water in the vapor state in a quantity greater than that which the air can normally hold under the conditions of pressure and temperature existing, and not' as an excess of water suspended in the air in the form of free water particles.
In current installations for cooling meat to a safe storage temperature, the quarters of meat coming from the slaughterhouse are suspended in a refrigerated space, the cooling of which takes place by convection by means of tubular walls through which it is made. circulate a refrigerant liquid such as brine. Even pn not introducing fresh air inside the refrigerated chamber, the loss of weight due to the evaporation of moisture from the meat during the period of time to bring the latter to the storage temperature, reaches 2 or 2.5%, then the weight loss stabilizes at around 0.5% per day. This weight loss is believed to represent the loss of weight. water of the meat by desiccation in,
the environment in which it is hung to be cooled. This decrease in the humidity of the meat is not only an immense loss in the sale of it, or other perishable foodstuffs, but it is also undesirable from both a point of view quality and texture as well as taste and presentation.
The present invention proposes to provide a process for cooling meats which significantly reduces the amount of moisture lost by them; provides fast and efficient refrigeration of meat and other food products, thereby not only increasing the amount of meat that can be cooled in a given space per unit of time, but also reducing the duration of refrigeration and thereby, the amount of time available for moisture loss during the cooling cycle; which avoids the presence of free moisture on the surface of the meats and in case of damage or discoloration by dye penetrant or other reactions that this moisture is likely to provoke;
which is adaptable not only to the refrigeration of meats, but also suitable for the preservation of other food products and moisture-sealing products as a useful element, for example vegetables, flowers, fruits and other products food, and correspondingly the invention aims to provide an apparatus for implementing this refrigeration process.
Briefly, the present invention is a refrigeration process in which an enclosed chamber, containing the quarters of meat, or other perishable goods to be cooled, is maintained at the refrigeration temperature by circulating air entering the chamber. in the supersaturated state and which, preferably, will maintain this state therein. The term "supersaturated" means that water vapor is present in the air in an amount greater than that which is present in the air. air is normally capable of retaining under existing temperature and pressure conditions, this state to be distinguished from the presence of excess moisture in the air in the form of free water, either in particles or in the aerosol state,
and wherein the amount of moisture present is not greater than that which can be retained at saturation.
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In order to supply supersaturated air to a refrigeration chamber, the air in the chamber is recycled and subjected during the recycling to compression, cooling and expansion. In the compression stage, the air is taken from the chamber in a state of saturation or from its vicinity and is compressed, by a centrifugal fan for example, or by another device. The work which the air undergoes during its compression gives rise to enough heat to cause the temperature of the compressed air to rise from 2.3 to 7 C above that of the air admitted at the compression stage, depending on the degree of compression, so that the exhaust air - the stage of compression will have "2.3 to 7 C of unsaturation", in other words,
the amount of moisture present in the form of water vapor in the compressed air would be sufficient to saturate it at a lower temperature of 2.3 to 7 C.
Compressed air in the "unsaturated" state passes from the compression stage in a heat exchanger device through which a refrigerant maintains the temperature of the coils preferably slightly above the air leaving the cold room to enter. in the compression device.In the heat exchanger heat from the compression is extracted from the air, preferably without cooling it to a temperature below that at which it enters the compressor, and without exposing it to contact with a surface which is below this temperature.
As a result, the quantity of water vapor suspended in the air during its passage through the cooling device remains substantially equivalent to that present in the air admitted at the compression stage, but because this air is at a higher temperature, this amount of water vapor may be slightly less than that required for saturation. Under these conditions, the tendency for water vapor to continue in the air to condense on the surface of the coils will be weak during the cooling stage.
From the ... cooling stage, from which the compressed air leaving can be considered practically as being saturated, or very close to the state of saturation by water vapor, this air is admitted into turbines for its expansion up to normal pressures while providing energy by driving the turbine, the expanding air undergoing cooling which is a function of the degree of compression it has previously experienced.
Under normal and practical preferred conditions, where a compression of 0.035 - C, 21 kg / cm is possible, the air will undergo cooling of about 1.4 to 5.6 C. After cooling by ex- expansion while providing work, the water vapor present in the air originally remains in the state '' @ vapor, in a state which will be referred to hereinafter as "metastable", except for small quantities which may precipitate around particles of pctissière or around other cores floating in the air, and which are present mainly at the beginning of the cooling cycle. Since the moisture content of the air before its expansion was equal or very close to saturation,
the quantity of vapor contained in the air cooled from 1.4 to 5.6 C will be greater than that sufficient to saturate this air by a quantity which will be designated hereafter by saying that this air has a supersaturation of X degrees, in other words, that the amount of water vapor contained in the air would be sufficient to ensure saturation at a temperature higher by X degrees.
By using supersaturated air exiting the expansion turbines for refrigeration, or by expanding it through an expansion valve to introduce it to the cold room, evaporation of the air is almost entirely suppressed. moisture on the surface of preserved meats, or other perishable foodstuffs, which reduces, and in practice completely eliminates, any loss of weight of the meat during the cooling cycle
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and refrigeration, Due to the presence of air in a supersaturated state, it is possible for the first time to circulate the air at high speed over meat, or other products, in order to minimize the thickness of the static layer of air that insulates meat or other products,
and therefore greatly increase the rate of heat transfer of the meat, without increasing the loss of weight by desiccation.
In the past, rapid movements of air over meats were to be avoided, as the rate of drying of the meat was increased in a proportion that could no longer be compensated by the increase in the rate of their cooling. ) the use for cooling of supersaturated air containing moisture in the form of vapor, as opposed to the presence of free moisture in "unsaturated" air greatly accelerates the heat transfer rate of meat, or other perishable foodstuffs, without causing excessive desiccation, thus making it possible in particular to reduce the duration of the cooling cycle, which not only has the effect of reducing the time available for weight loss,
but also increases the bearing of the cold room and allows a more efficient use,
In trying to keep desiccation to a minimum, Zarotschenzeff (United States Patent No. 2,065,358 of December 22, 1936) and others used refrigerated air into which they introduced brine or water in the form of fine or atomized rain (aerosol), in quantities greater than those which can be present in the air as water vapor.All the laws of nature are against the evaporation of more vapor than cannot retain air therefrom in a saturated state, so that it is not possible to obtain supersaturated air in this way in a sure manner.
When saturated, or near-saturated, air comes into contact with and is reheated by the warmer air layer near the meat, that reheated air suddenly becomes relatively more strongly unsaturated, so that it becomes capable to absorb additional amounts of moisture. There is a competition between the free humidity of the air and that of the meat, in order to compensate for this lack of humidity of the air, which results in desiccation) although it may be less than in previous processes; moreover, the presence in the air of too much free moisture can be harmful in that it can allow water to settle on the surface of the meat,
which gives it a wet state that can lead to discoloration and bleeding and even cause damage to this meat,
It has been established that water vapor can be present in air in amounts corresponding to supersaturation when created by an expansion process of the type described. A supersaturated state occurs. te of the expansion of air close to saturation and which seems to be a metastable equilibrium, that is to say a state which remains stable in the presence of small disturbances, or of infinitesimal disturbances and in the absence of significant disturbances but which can condense and form free water particles around nuclei, such as small particles of dust or electrons introduced by electronic pulses,
Such free water particles will form in small quantities especially at the start of the cooling cycle, until the dust particles present in the air have been removed, and although they are observable under a microscope, the quantity of water vapor condensing in free water appears to be negligible with regard to the maintenance of the metastable state of saturation.
The cold room of the refrigeration plant shown in the accompanying drawings can contain about 200 beef quarters, and
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allows the beef to be cooled from the slaughter temperature, which is about 38 C, to the storage temperature of about 4.5 C, then to keep them at this temperature until they are removed for be transported in the consumption circuit.
On the drawings:
Fig. 1 is a schematic elevational view of an embodiment of an installation according to the invention.
Fig. 2 is a side view of the refrigeration device applied for the implementation of the invention.
Figure 3 is a front view of the device of FIG. 2, with parts torn off in order to reveal the interior construction.
Figs. 4 and -.- 5 are sections of the fan applied for the practice of the invention.
Fig. 6 is a section through the turbine of FIG. 4, and
Figs. 7 and 8 are curves representing the performance in service under various conditions of implementation of the invention.
Fig. 1 schematically shows a construction for the refrigeration of beef quarters. The cold room 10 is provided with heat-insulated walls 11 and has U-bars or rails 12 which are suspended from the ceiling and serve as support for the transport rails 13 which are used to bring the beef quarters 40 from the slaughterhouse to the cold room, and from which they hang hanging from hooks 14 until they have been cooled to a temperature ensuring their preservation, or until that they are distributed.
When leaving the slaughterhouse to enter the cold room, the beef quarters have a temperature of around 38 C. The temperature of the cold room itself can rise to around 4.5 C, due to stopping the recycling of refrigerant air during loading and unloading of the chamber.
The refrigeration device is housed in a separate chamber 15, located above the first, with which it communicates by openings 16 made in its floor in the vicinity of the side walls 11, in-'regard the air outlets to high speed of the refrigeration device, as well as through an opening 17 made in the ceiling 18 of the cold room and which communicates with the inlet 19 of a centrifugal fan of the refrigeration device.
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The fan itself is of the multi-fin type and has a neck-shaped inlet 26 in the center, provided with fins 27 curved back from the radius to force air from the peripheral of the fin crown. radially outward into the crankcase at a pressure of about 0.035 to 0.21 kg / cm. The heat of compression has the effect of increasing the temperature of the air, as well as
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has, éé é.eit it is clear that it is possible to vary the pressure and the heat of compression according to the '3 dimensions, type and
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speed of the fan used, as well as according to the means used to vary and control the air flow.
A chamber 29 communicating with the outlet 28 of the fan chamber is formed of a sheet whose dimensions increase from this outlet of the fan casing to a bundle of cooling coils 30 through which circulates a refrigerant intended for ex. - milking the heat born from the compression of the compressed air passing through them.
In order to achieve efficient heat transfer and to evenly cool the air as it passes between the cooling coils, it is preferable to introduce the refrigerant fluids so that they flow from the end through which the air is passed. leaves the refrigeration zone towards the end through which this air enters, in order to create a countercurrent circulation in the coils, ensuring a gradual and uniform temperature reduction of the air, which is in contact with the parts coil having the lowest temperature when it leaves the cooling zone The speed of the air as it passes over the coils, or other cooling devices, is relatively unimportant,
because the temperature of the coils is kept slightly higher than that of the air before it is compressed, as has been described, so that the air passing between the coils is less saturated than the incoming air and does not touch any surface capable of causing supersaturation which may cause condensation.
The bundle of cooling coils 30 blocks the opening by virtue of an air chamber 31 which is sized to extend beyond the coils both vertically and laterally to divide the compressed air and directing separate streams from their opposite ends forwards through the chambers 32 to the inlet openings made in the casings 33 and 34 of two turbines arranged on either side of the inlet chambers 20 and 21 of the fan, in their axial alignment.
As shown in Figs. 4 and 5, each casing 33 and 34 contains a multi-vane impeller 35 rotatably mounted on the common shaft 23, on which the blower is also rotatably mounted in the same direction and at the same speed. The vanes 36 are disposed radially. and equidistant from each other around the periphery of the turbine wheel. The ends 37 of the fins of the periphery of the turbine wheel which are on the inlet side make an angle slightly offset forward with respect to the radius, while the curvilinear parts 38 which form the inner part of the fins are rotated in the opposite direction to the rotation of the turbine, so that the outgoing air has a minimum of centrifugal force or energy, as will be explained below. below.
The turbine fins rotate inside a casing comprising fixed guide plates whose profile conforms to the lateral profile of the fins in order to delimit the path of the compressed air stream during its expansion, during which this air supplies work and drives the turbine before reaching, coming from the periphery the neck of the turbine. The work supplied by the air during its expansion is used. as energy transmitted directly to the shaft 23 and contributes to the drive fan-compressor, the additional energy being supplied, as required, by the motor 24 ', The expanded and refrigerated air, containing water vapor in a quantity greater than that of saturation, leaves each of the casings of turbine axially of the neck of the casing and is directed against the opposite side walls 11,
in order to circulate by gravity through the openings 16 and thus gain the cold room located below.
The refrigeration cycle can be divided into two phases, which
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hereinafter will be referred to as one: initial phase or state ;, unstable, and the other, the stable state.During the unstable state, conditions are continuously variable with respect to the temperatures of the air passing through the various stages of the process from the refrigerant flowing through the coils until the chamber is cooled to the desired temperature, at which point the stable stage begins.
The temperature in the cold room will rarely rise above 4.5 - 7 C while the refrigeration device is turned off and the room is opened for filling or emptying with beef quarters or other commodities. perishable. Usually, the amount of moisture in the air in the cold room will be sufficient to provide the supersaturated state under the conditions existing at steady state. * In case this humidity is insufficient, the amount of moisture necessary, or even more could be introduced at the time of start-up as a spray jet,
or the small amount of moisture needed to saturate the incoming air at the compression stage could be partially withdrawn from the linens surrounding the beef quarters, or. still sources of humidity would be provided inside the cold room, but it is preferable that the additional humidity is introduced from an outside source.
During the initial stage, the refrigerant circulating in the coils is modified so as to maintain the temperature of the latter at the desired degree above the temperature of the air entering the compression fan, in order to reduce to minimum condensation, as described previously. For this purpose, it is possible to use conventional mixing devices controlled by thermo-couples in order to dose the quantity of refrigerant at approximately 0 C which is mixed with the recycled refrigerant from the coils, in order to obtain the desired temperature of the circulating refrigerant, or alternatively to use a damper to regulate the flow rate of the refrigerant circulating in the coils in response to the reactions of a thermostat which, preferably, will be housed in the flow of supersaturated air leaving the turbine.
In the event that the degree of supersaturation in the cold room is such that the air entering the compression fan still contains a substantial degree of supersaturation, very limited condensation may occur in the cooling coils in order to eliminate the pressure. humidity, in excess of that of saturation of the air which gains the expansion turbine.
This removal of moisture will leave a quantity of moisture in the air corresponding to the degree of supersaturation after expansion.
Once the stable stage is reached, the conditions established are such that no further changes are necessary, and no more condensation occurs in the cooling coils; the desired degree of supersaturation of the refrigerated air introduced into the chamber is thus maintained, as was previously explained during the theoretical discussion.
It is understood that the initial or unstable stage may require only about six hours, but the meat being a poor conductor of heat, it will not yet be cooled through to the storage temperature, so it may be necessary to continue to operate the device at a steady state for a further eighteen hours or more, so that the beef quarters are thoroughly cooled.
In practice, it is advantageous to keep the degree of supersaturation as high as practical conditions permit, in order to ensure the presence of a sufficient quantity of moisture to combat the desiccation of the perishable foodstuffs enclosed in the cold chamber.
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It has been found that the degree of supersaturation is largely a function of the temperature drop in the turbine. Since the inlet pressure of the turbine is essentially equal to that at the outlet of the compressor, it is simpler to be able to vary the flow rate of the air-water vapor mixture passing through the apparatus without changing the compression ratio that the machine develops.
It has been found that it is possible to maintain a constant degree of supersaturation between the practical limits of 0.09 to 4.7 C, under conditions of less refrigeration requirements, by providing a constant compression ratio in the compressor but-by reducing the flow of air / water vapor flow through the refrigeration device by means of adjustable dampers or swirl dampers at the inlet of the fan-compressor. the constant degree of the desired supersaturation by combining the input registers and a speed control, thereby to achieve a supersaturation calculated so as to be most suitable for the particular products to be preserved, while requiring the minimum expenditure of energy and refrigeration.
Curve A in fig. 7 can be used to represent the operating conditions of a typical compressor. The latter is generally chosen to work at its peak speed AA or in its vicinity. left of AA is possible, but it should be noted that the efficiency drops quickly. The use of adjustable input registers allows low load operation without appreciable loss of efficiency, as can be seen from curve B (fig. 8).
The solid lines represent operation with wide open registers and correspond to that of a compressor without input registers.The dashed lines are for the same compressor, with the registers partially closed, and the compressor running at the same As can be seen from an examination of the curves, peak efficiency shifts from A to B in response to the dampers closing and the pressure generated decreases slightly.
If it is desirable to obtain more supersaturation, this could be achieved by generating higher pressures in the compressor. It is also possible to increase the speed of the compressor to obtain higher pressures, and to shut down registers in order to bring the current back to its initial value or below.As the compressor accelerates, the pressure increases as the square of the speed and the volume in an amount directly proportional to it, the motive power increasing as the cube of By using input swirl damper control and speed control, the pressure can be increased to achieve the desired degree of supersaturation, while the dampers will be closed to keep the volume constant. so,,
the power increases only as the square of the speed, instead of the cube, and thus provides more efficient operation, along with the desired setting of overload.
Of course, there may be cases where it is desirable to subject the meat to a short drying at the initial stage of the refrigeration cycle, in order to dry the lines and condition the meat for example. appropriate control, to maintain a certain degree of unsaturation for a short time, and then to switch to the supersaturated conditions described as soon as the need arises, once the desired drying has been achieved, in order to maintain the conditions set for the refrigeration of meat.
It is obvious that the cooling conditions can change with the different products, but the presence of an atmosphere
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Supersaturated also remains desirable during most of the refrigeration cycle, and preferably throughout. For example, in the case of beef or other meats, it is preferable to cool to a lower temperature. at 4.5 C and preferably of the order of 0.3 to 3.3 C, so that the conditions for the introduction of supersaturated air should be maintained between temperature limits of - 0.5 to 2 C, with at least 0.5 C and preferably between 1, to 4.7 C. With vegetables, flowers or with fish, the temperature may be different.
The example below shows a typical cooling cycle of beef coming from the slaughter area.
While the freshly killed beef quarters are stored in the cold room, the temperature in the cold room can rise to around 4.4 and 7 C. When the chamber is sealed and the refrigeration cycle starts, its temperature is lowered during the unstable stage to about -0.5 C in about 6 hours, and is then maintained at this temperature for the duration of the stable stage. The air entering the fan inlet will usually be about 0.9 C above the average chamber temperature, and the steady state will be around 0.5 C. As it passes through the compressor, the air pressure will rise to 0.035 - 0.21 kg / cm2 and the temperature will rise to about 7 C.
During the passage through the cooling coils the quantity of heat extracted from the air will bring its temperature down to about 1.7 C, while maintaining it at a pressure between 0.035 and 0.21 kg / cm. coils can vary according to the ratio between the surface and the volume, and in the example shown, it was maintained between -2.2 and -1.7 C. When leaving the expansion machine, the air is at the chamber pressure and at a temperature of about -2.2 C. If the air entering the inlet fan at 0.5 C is saturated or slightly below saturation, the amount of The humidity contained, in the form of vapor, in the air leaving the turbine at -2.2 ° C. will correspond to the introduction into the cold chamber of air having approximately 2.3 ° C. of supersaturation.
Usually it is desirable to adopt a degree of supersaturation greater than the drop in temperature which occurs through the chamber, so that the air entering the compression section will have some supersaturation, resulting in thus a corresponding increase in the supersaturation of the air leaving the expansion section, to enter this chamber.
It goes without saying that the refrigeration means intended to introduce supersaturated air into the cold shaft could be entirely housed inside the latter with a view to supplying it directly to the supersaturated air, and that others Changes of detail could be made in the construction, arrangement and operation of the invention without departing from the scope and spirit of the latter.