Tous les conteneurs à température contrôlée ne sont pas égaux en matière de performances thermiques : votre expédition pharmaceutique vitale est-elle en danger ?
Résumé
Cette étude montre la différence que la conception du flux d'air et la voie de recirculation ont sur les caractéristiques critiques de cartographie thermique dans un compartiment de fret ATCC, et démontre ainsi que tous les conteneurs ne sont pas créés égaux en matière de performances thermiques.
CSafe s'est appuyé sur les résultats de cette étude pour confirmer que la conception unique et innovante de son système de recirculation d'air (ARS) utilisé dans le CSafe RKN fonctionnerait également parfaitement avec le nouveau conteneur CSafe RAP. Les conteneurs actifs CSafe RKN et CSafe RAP transportent les produits pharmaceutiques et biologiques vitaux à la bonne température, avec une tolérance très stricte sur la température de consigne. La technologie ARS contribue grandement à garantir des performances optimales.
Présentation
Les conteneurs à température contrôlée active (ATCC) sont conçus pour maintenir la température de la charge utile tout au long du transport. Les Bonnes pratiques de distribution de l'Organisation mondiale de la Santé stipulent, à la section 13.4 : « Les produits pharmaceutiques doivent être stockés et transportés conformément à des procédures garantissant : la confidentialité de l'identité du produit, l'absence de contamination par d'autres produits, la prise de précautions adéquates contre les déversements, les bris, les détournements et les vols, et le maintien de conditions environnementales appropriées, par exemple le respect de la chaîne du froid pour les produits thermolabiles. »
Afin de se conformer aux directives BPD, la plupart des ATCC s'appuient sur six systèmes mécaniques intégrés visant à maintenir une température interne de consigne : 1) système de contrôle ; 2) système de réfrigération (condenseur, compresseur et évaporateur) ; 3) système de chauffage ; 4) système de circulation d'air ; 5) source d'énergie interne ; et 6) isolation thermique. Ces différents composants fonctionnent ensemble pour maintenir la température de l'air souhaitée dans la zone de chargement, tout en neutralisant les effets de la température ambiante à l'extérieur de l'ATCC.
La clé d'une cartographie uniforme de la température dans la soute réside dans la capacité du système de circulation d'air à réguler automatiquement la température du chargement. Ce système s'appuie sur les données du système de contrôle et sur plusieurs capteurs de température stratégiquement placés dans la soute pour transmettre les données de température en temps réel et garantir ainsi la précision et l'efficacité du contrôle de la circulation aérienne (ATCC).
Figures 1 et 2.
Le système de recirculation d'air unique et innovant de CSafe RAP (ARS), illustré à la figure 1, et le système de gestion de la température (TMS) avec plusieurs capteurs, illustré à la figure 2, fonctionnent ensemble de manière autonome pour fournir
air conditionné sur les six côtés de la charge utile
Lors du récent développement du nouveau CSafe RAP, l'interaction entre la conception de la recirculation d'air et le contrôle du système de gestion de la température s'est avérée cruciale compte tenu du volume de compartiment nettement plus important d'un RAP. Afin de garantir la résistance du conteneur aux effets de températures ambiantes extrêmes, l'équipe d'ingénierie de CSafe a utilisé les derniers logiciels de dynamique des fluides numérique (CFD) pour modéliser différentes conceptions de conteneurs physiques afin de sélectionner la solution de flux d'air idéale pour des performances thermiques optimales.
Développement d'un modèle
Afin de souligner l'importance de la circulation d'air dans la soute et son effet direct sur la cartographie thermique de la charge utile, l'équipe d'ingénierie de CSafe a analysé trois conceptions différentes de systèmes de flux d'air afin de déterminer la configuration optimale pour le nouveau RAP CSafe. Le profil du conteneur RAP a été utilisé pour toutes les analyses, car le maintien de la température dans un volume plus important constitue le scénario le plus défavorable. Des coupes transversales des trois modèles de conception utilisés dans ces analyses sont présentées aux figures 3a, 3b et 3c. Par souci de simplification, seule la soute des conteneurs est représentée avec une configuration de chargement minimale.
Illustration 3a.
Le modèle A (modèle de périmètre de plafond avec retour d'air arrière) force l'air à travers le plénum de plafond et à sortir par de petites ouvertures de plafond dans le conteneur.
Graphique 3b.
Le modèle B (modèle à nacelles de plafond avec retour d'air arrière) utilise 4 ventilateurs de plafond plus grands répartis symétriquement sur le dessus du compartiment de chargement pour pousser l'air autour de la charge utile.
Illustration 3c.
Le modèle C (sortie d'air forcé arrière avec retour sous le plancher) aspire l'air conditionné sur tous les côtés de la charge utile et sous le plancher pour faire circuler l'air dans tout le conteneur.
Le logiciel CFD utilisé était COMSOL Multiphysics 5.3 et toutes les analyses ont été réalisées par Weatherly Applied Research.
Modèle de périmètre de plafond avec reprise d'air arrière (Modèle A)
Sur le modèle A, des ventilateurs propulsent l'air conditionné depuis l'arrière de la paroi de chargement vers un plénum de plafond. Ce dernier, en surpression, canalise l'air vers le compartiment à bagages à travers plusieurs ouvertures du plafond. L'air recyclé est ensuite collecté par une ouverture d'admission située à la base de la paroi froide arrière, grâce à la dépression générée par les ventilateurs situés derrière la paroi.
Modèle de nacelles de plafond avec retour d'air arrière (Modèle B)
Dans le modèle B, des ventilateurs propulsent l'air conditionné depuis quatre bouches de distribution situées au plafond pour diriger l'air, sous pression positive, vers le compartiment de chargement. L'air de recirculation du compartiment est collecté par une ouverture d'admission située à la base de la paroi froide arrière, grâce à la dépression (vide) générée par les ventilateurs.
Entrée d'air pulsé arrière avec retour sous le plancher (modèle C)
Le Modèle C utilise des ventilateurs pour propulser l'air conditionné depuis une ouverture située en haut de la paroi froide arrière, à travers les conduits du plafond et des parois latérales, afin de le diffuser dans tout le compartiment à bagages. L'air recyclé est ensuite aspiré par une ouverture d'admission dans le plancher, à la base des portes du compartiment à bagages, grâce à la dépression (vide) générée par les ventilateurs. L'air conditionné est ensuite canalisé sous le plancher dans un plénum de reprise dédié, vers l'arrière du conteneur, où le cycle de recirculation est ensuite répété.
Résultats du modèle CFD
L'équipe d'ingénierie de CSafe a découvert que l'interaction entre le système de circulation d'air et la conception physique du conteneur influençait significativement les résultats de la cartographie thermique et, in fine, les performances globales de l'ATCC. Il en a été conclu que tous les ATCC ne se valent pas et que les limitations du système, ou les différences de conception de la circulation d'air, peuvent compromettre l'intégrité de la charge utile en raison de la formation de zones chaudes ou froides dans la soute.
Chacun des trois modèles de conteneurs a été analysé selon deux configurations de charge utile simulant des conditions de charge minimale et maximale. Dans ce livre blanc, l'accent est mis sur les conditions de charge minimale considérées par l'industrie comme les conditions de transport les plus défavorables. Chaque ensemble de figures ci-dessous présente deux échelles de mesure. La direction et la vitesse du flux d'air dans la soute sont illustrées par des rubans sur une échelle de couleurs dégradées allant du vert foncé (vitesse élevée) au blanc (vitesse faible). La température de surface de la charge utile dans la soute est illustrée sur une échelle de couleurs dégradées allant du rouge (température maximale) au bleu (température la plus froide).
Figure 4a. Modèle A.
Un flux d'air insuffisant, associé à une vitesse d'air plus lente autour et sous la charge utile, indique une augmentation significative de la température de la charge utile au niveau du plancher. De plus, la direction du flux d'air indique que les flux s'éloignent du plancher vers la bouche de retour située à l'arrière du compartiment de chargement. Une augmentation importante de la température est observée à l'interface entre les pieds des palettes et le plancher, ce qui indique un risque accru de variations de température à la base des palettes.
Figure 4b. Modèle B.
Là encore, une vitesse d'air insuffisante, indiquée par les rubans blancs, indique une augmentation significative de la température au niveau du plancher de la charge utile. Une augmentation de la température du produit est observée au niveau du plancher pour les deux palettes les plus proches de la porte, en raison d'un faible débit d'air et d'un court-circuit thermique lié aux joints de la porte. Une augmentation importante de la température est observée à l'interface entre les pieds de la palette et le plancher, vers l'avant du conteneur. Cela indiquerait que le risque le plus élevé pour la charge utile se situe à la base avant du conteneur.
Figure 4c. Modèle C.
Ce modèle présente une cartographie thermique homogène de la charge utile. Grâce à la prise d'air sous vide placée dans le plancher avant du compartiment de chargement, l'air conditionné enveloppe entièrement la charge utile sur les six côtés. Cette figure illustre le coussin d'air constant créé par le retour d'air conditionné à haute vitesse sous le plancher, via le canal de retour.
Les analyses du modèle CFD démontrent que le Modèle C, avec son canal de retour d'air dédié sous le plancher, est le seul conteneur à générer des flux d'air constants et à grande vitesse sous et autour de la charge utile dans le compartiment de chargement. Cette encapsulation de la charge utile dans un air conditionné contrôlé assure une excellente température.
Cartographie de la température dans l'ensemble du compartiment de chargement, supprimant ainsi le recours aux palettes lors du chargement de la charge dans le conteneur. Pour les modèles A et B, les analyses CFD ont montré que la réduction de la vitesse et de la distribution de l'air autour de la charge, en l'absence de canal de retour d'air dédié sous le plancher, impactait négativement la cartographie de la température à l'intérieur du compartiment de chargement, notamment au niveau du plancher, sous et sur les côtés de la charge.
Conclusion
D'après les analyses CFD réalisées dans le cadre de cette étude, les voies d'écoulement et la vitesse de l'air sont directement corrélées à une cartographie thermique homogène dans la soute. Un écoulement d'air plus rapide, associé à une conception permettant une encapsulation complète de la charge utile par l'air conditionné, permettra d'obtenir la cartographie thermique la plus uniforme possible sur l'ensemble de la charge utile.
avec un maintien optimal de la consigne de température souhaitée.
CSafe a exploité les résultats de cette étude et des études précédentes pour optimiser la conception de son système unique de recirculation d'air (ARS), intégré au CSafe RKN éprouvé, afin d'optimiser le flux d'air du CSafe RAP, à l'image du modèle C. Les bouches d'entrée et de retour d'air du CSafe RAP sont situées aux angles opposés du compartiment de chargement, ce qui optimise la circulation d'air circulaire dans l'espace de chargement. L'air de retour, aspiré sous le plancher par le canal de retour dédié, crée une barrière d'air isolante supplémentaire sous le chargement, renforçant ainsi la protection contre les conditions extrêmes.
conditions ambiantes rencontrées lors des expéditions d'été et d'hiver.
En conclusion, toutes les conceptions de conteneurs à température contrôlée active ne sont pas égales et la gamme de conteneurs actifs CSafe utilise et intègre des conceptions innovantes et différenciées pour garantir des performances optimales du système et une protection thermique des charges utiles vitales améliorant la vie.
Références
Lignes directrices de l’OMS pour les bonnes pratiques de distribution des produits pharmaceutiques.
Genève, Organisation mondiale de la Santé, 2010 Série de rapports techniques de l’OMS, n° 957. (Annexe 5).
Biographie de Jonathan Neeld
Jonathan est vice-président de l'ingénierie chez CSafe. Fort de plus de 30 ans d'expertise en conception et certification,
des produits aéronautiques. Jonathan est spécialisé dans le développement, la certification et la conformité réglementaire des produits de contrôle de température actif et passif et des solutions de surveillance des données de CSafe.
Biographie de David Weatherly
David est ingénieur en mécanique et possède 20 ans d'expérience en recherche et développement de produits. Il est spécialisé en dynamique des fluides et en simulation des transferts de chaleur et de masse (dynamique des fluides numérique). David est titulaire d'une maîtrise en mathématiques appliquées et computationnelles de l'UCLA et d'un doctorat en génie mécanique (CFD) de l'Université du Kentucky.
Après 14 ans passés au sein du département Développement des têtes d'impression jet d'encre de Lexmark International, il a rejoint l'Université du Kentucky pour y mener des recherches industrielles en tant que professeur-chercheur adjoint. Il propose désormais des services de recherche en ingénierie et de développement de produits par l'intermédiaire de sa société, Weatherly Applied Research. Il a mené des projets pour Timken Bearing Company, la division Revêtements automobiles de PPG, Kateeva, Inc., GE Electric Appliances and Lighting et Kaleidoscope, Inc. Parmi ses publications :
- « Conception d'éjecteur pour l'administration d'aérosol médical aux poumons », DC Weatherly, affiche au Symposium sur la recherche et la technologie de Lexmark, 11/2011.
- « Un modèle général pour la transition dans les écoulements compressibles à parois », DC Weatherly, présenté au 4e Symposium international sur la modélisation et les mesures de la turbulence en ingénierie, Corse, France, mai 1999.
- « Décomposition turbulente additive avec des modèles de turbulence algébrique pour les écoulements compressibles », thèse de doctorat, Université du Kentucky, 1998.
- « Génération de conditions initiales et limites pour les simulations à grandes échelles d'écoulements à parois délimitées », DC Weatherly et JM McDonough, poster au onzième symposium sur les écoulements turbulents à cisaillement, Institut Nationale Polytechnique, Grenoble, France, septembre 1997.
- « Structure de couche limite compressible à grande échelle calculée stimulée par des perturbations tourbillonnaires », DC Weatherly et JM McDonough, AIAA Paper 96-0424, présenté à la 34e réunion annuelle des sciences aérospatiales de l'AIAA, Reno, janvier 1996.
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