FR3147355A1

FR3147355A1 - Réfrigérateur à gaz de cycle

Info

Publication number: FR3147355A1
Application number: FR2302941A
Authority: FR
Inventors: Pierre BARJHOUX; Yan Pennec; Gaetan Coleiro
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2023-03-28
Filing date: 2023-03-28
Publication date: 2024-10-04
Anticipated expiration: 2043-03-28
Also published as: FR3147355B1

Abstract

L’invention concerne un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant, dans un circuit (2) de cycle contenant un gaz de cycle comprenant par exemple de l’hélium et/ou de l’hydrogène, un système (3) de compression du gaz de cycle, un système (4) de régénérateurs, un système de détente (5) du gaz de cycle comprimé, le système (4) de régénérateurs comprenant au moins deux régénérateurs disposés en parallèle, un premier ensemble (6) de vanne(s) configuré pour relier la sortie du système (3) de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs (4) en parallèle, un deuxième ensemble (7) de vanne(s) configuré pour relier la sortie d’un premier régénérateur (4) alimenté en gaz de cycle comprimé avec l’entrée du système de détente (5) et la sortie du système (5) de détente avec un second régénérateur (4), le premier ensemble (6) de vanne(s) comprenant une vanne à trois voies ayant une entrée reliée à la sortie système (3) de compression et deux sorties reliées respectivement aux deux régénérateurs (4) disposés en parallèle et en ce que le deuxième ensemble (7) de vanne(s) comprend un pont de distributeur de type aéraulique. Figure d’abrégé : Fig. 1

Description

Réfrigérateur à gaz de cycle

L’invention concerne un réfrigérateur à gaz de cycle, par exemple à hélium.

L’invention concerne plus particulièrement un réfrigérateur à gaz de cycle comprenant, disposés en série dans un circuit de cycle contenant un gaz de cycle comprenant par exemple de l’hélium et/ou de l’hydrogène, un système de compression du gaz de cycle, un système de régénérateurs, un système de détente du gaz de cycle comprimé, le système de régénérateurs comprenant au moins deux régénérateurs disposés en parallèle, le circuit de cycle comprenant un premier ensemble de vanne(s) configuré pour relier la sortie du système de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs en parallèle, le circuit de cycle comprenant un deuxième ensemble de vanne(s) configuré pour relier la sortie d’un premier régénérateur alimenté en gaz de cycle comprimé avec l’entrée du système de détente et la sortie du système de détente avec un second régénérateur avant d’être renvoyé à l’entrée du système de compression, pour permettre au gaz de cycle comprimé d’être refroidi par son écoulement dans un régénérateur puis être détendu et injecté dans l'autre régénérateur pour le traverser et le refroidir.

Ces équipements de production cryogénique utilisent une unité de compression à température ambiante et une unité de détente à température cryogénique reliée par un échangeur de chaleur alternativement de refroidissement puis de réchauffement qui demeure un facteur limitant du système. Le délai de livraison, l’encombrement de la boîte froide (enceinte sous vide assurant l’isolation thermique des composants cryogéniques), les performances thermiques et le coût de l’unité de réfrigération/liquéfaction sont fortement impactés par les échangeurs de chaleur.

Les échangeurs de chaleur cryogéniques standards sont de type récupératif et de technologie à plaques à ailettes en aluminium. Ces échangeurs de chaleur sont fabriqués de manière industrielle par divers fournisseurs utilisant un procédé de fabrication identique : un brasage sous vide grâce à l’intégration d’un feuillard d’alliage d’aluminium de faible épaisseur entre chaque couche qui a une température de fusion légèrement inférieure à la nuance utilisée pour les ondes ou les tôles de séparation entre les différents canaux. Le dimensionnement de ces échangeurs est complexe et coûteux. Les études amont sont longues pour optimiser la configuration et l’empilement des tôles. La fabrication est ardue car le brasage est une opération délicate, parfois sujette à rebuts. Cette technique limite la fabrication de blocs d'échanges de taille importante dans un délai raisonnable. Les performances thermiques de cette technologie sont fortement impactées par la construction intégralement en aluminium. Ce matériau est un excellent conducteur thermique. Les pertes en conduction longitudinale nécessitent dans certains cas une augmentation importante de la longueur des blocs de d’échange pour réduire cet effet (notamment dans les cas d’application à fort écart de température entre le bout chaud et le bout froide des échangeurs de chaleur et à faible débit de cycle). Ceci entraîne une empreinte mécanique importante, une intégration au sein de la boîte froide complexe et limitant régulièrement la gamme de fabrication et des surcoûts de matériaux.

D’autres technologies d’échangeurs en inox peuvent être utilisées ponctuellement mais sont assez rarement employées, car très chères et peu développées pour des applications à basse pression (par exemple échangeurs à plaques brasées inox) ou peu efficaces (échangeur à plaques embouties en inox brasées cuivre, nickel ou autre, échangeurs fusionnés inox...).

Pour résoudre ces problématiques d’échangeurs à plaques à ailettes en aluminium (encombrement, performance thermique, design, fabrication, délai et coûts) il est connu de les suppléer par la technologie d’échangeurs régénératifs. Ces échangeurs régénératifs ou « régénérateurs » consistent généralement en une matrice de grande porosité, à forte chaleur spécifique et grande densité surfacique pour optimiser l’échange tout en conservant un passage hydraulique important. En pratique, ces échangeurs peuvent prendre la forme d’un assemblage de billes ou d’un empilement de grilles dans un cylindre fermé.

L’échange thermique est fait en deux étapes: lors du trajet aller, le fluide chaud se refroidit au contact de la matrice, lors du trajet retour, le fluide froid se réchauffe au contact de la même matrice. Le procédé est donc alternatif par principe.

Le document GB1455293A décrit un exemple d’un tel réfrigérateur à hélium.

La difficulté est d’utiliser ces échangeurs régénératifs de nature alternative dans un procédé continu tel qu’utilisé dans les machines cryogéniques à compression/détente.

L’installation décrite dans ce document utilise un circuit de distribution qui génère des différentiels de pression non négligeables et qui sont sujet à des défaillances.

Les fonctionnements de la vanne rotative (entre la compression et les régénérateurs) et des clapets (entre les régénérateurs et la détente) sont disjoints et peuvent générer des dysfonctionnements. Un système d’accumulateur est en outre prévu.

Ceci peut augmenter les risques de défaillance, les pertes de charge, les coûts et l’encombrement et rendre non viable une telle technologie dès qu’on cherche à augmenter sensiblement les dimensions des systèmes référencés de petite taille (typiquement cylindres de l’ordre de quelques dizaines de millimètres de diamètre). Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, le réfrigérateur selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le premier ensemble de vanne(s) comprend une vanne à trois voies ayant une entrée reliée à la sortie système de compression et deux sorties reliées respectivement aux deux régénérateurs disposés en parallèle et en ce que le deuxième ensemble de vanne(s) comprend un pont de distributeur de type aéraulique.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

le circuit de cycle comprend un troisième ensemble de vanne(s) configuré pour relier l’entrée du système de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs en parallèle ayant récupéré le flux de gaz de cycle provenant du système de détente,
le troisième ensemble de vanne(s) comprend une vanne pilotée à trois voies ayant deux entrées reliées respectivement aux deux régénérateurs disposés en parallèle et une sortie reliée à l’entrée du système de compression,
le premier ensemble de vanne(s) et le troisième ensemble de vanne(s) sont des vannes pilotées commandées de façon synchronisée,
premier ensemble de vanne(s) et le troisième ensemble de vanne(s) sont des vannes pilotées commandées de façon synchronisée,
le premier ensemble de vanne(s), le troisième ensemble de vanne(s) et le deuxième ensemble de vanne(s) sont logés dans un même organe de distribution aéraulique configuré pour synchroniser le fonctionnement des premier, second et troisième ensembles de vanne(s),
le deuxième ensemble de vanne(s) comprend un boîtier muni de quatre orifices d’entrée/sortie et configuré pour assurer de liaisons fluidique entre deux paires d’orifices en fonction du différentiel de pression entre les orifices,
le deuxième ensemble de vanne(s) comprend un organe distributeur rotatif ou translatif configuré, selon sa position pour assurer des liaisons fluidiques entre deux paires d’orifices.

L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

est une vue schématique et partielle d’un exemple de structure et de fonctionnement d’un réfrigérateur selon l’invention dans une première configuration,

est une vue schématique et partielle du même exemple de réfrigérateur selon l’invention dans une deuxième configuration,

représente des vues schématiques et partielles, en coupe, d’un premier exemple de structure du deuxième ensemble de vanne(s) du réfrigérateur selon respectivement trois configurations différentes,

est une vue schématique et partielle, en coupe, d’un deuxième exemple de structure du deuxième ensemble de vanne(s) du réfrigérateur,

illustre deux vues schématiques et partielles d’un autre exemple de structure et de fonctionnement d’un réfrigérateur selon l’invention, dans respectivement, deux configurations différentes.

Description détaillée

Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.

Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.

Le réfrigérateur 1 à hélium illustré aux et comprend, disposés en série dans un circuit 2 de cycle contenant de l’hélium, un système 3 de compression de l’hélium, un système 4 de régénérateurs, un système de détente 5 de l’hélium comprimé.

Le système 3 de compression comprend un ou plusieurs compresseurs et de préférence un système 11 de refroidissement à la sortie du compresseur 3 pour refroidir le flux comprimé (par exemple un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur).

Le système 5 de détente comprend une ou plusieurs turbines et/ou vanne(s) de détente.

Dans cet exemple, le système 4 de régénérateurs comprend deux régénérateurs disposés en parallèle dans le circuit 2 de cycle.

Le circuit 2 de cycle comprend un premier ensemble 6 de vanne(s) configuré pour relier la sortie du système 3 de compression (circuit à haute pression) avec alternativement tour à tour les régénérateurs 4 en parallèle.

Le circuit 2 de cycle comprend un deuxième ensemble 7 de vanne(s) ou organe(s) de distribution hydraulique/aéraulique configuré pour relier la sortie d’un premier régénérateur 4 alimenté en hélium comprimé avec l’entrée du système de détente 5 et la sortie du système 5 de détente avec un second régénérateur 4 avant d’être renvoyé à l’entrée du système 3 de compression (circuit à basse pression). Cet agencement est configuré pour permettre à l’hélium comprimé d’être refroidi par son écoulement dans un régénérateur 4 puis être détendu et injecté dans l'autre régénérateur 4 pour refroidir ce dernier. Cet agencement permet d’inverser les flux dans les deux régénérateurs 4.

Comme illustré, au moins un échangeur 12 de chaleur à contre-courant peut être prévu entre le deuxième ensemble 7 de vanne(s) et le système de détente, pour assurer un échange thermique entre deux flux d’hélium relativement chaud et froid (respectivement avant et après détente).

Cet échangeur 12 de chaleur de technologie récupérative est typiquement un échangeur nécessitant un faible volume car les fluides en présence sont les plus denses du procédé (température les plus basses des différents circuits), facilitant la mise en oeuvre et l’intégration au sein d’une boîte froide).

Après la détente 5 et avant retour vers la compression, l’hélium à température très froide peut être utilisé pour refroidir une application, par exemple, via un échangeur de chaleur 13.

Le premier ensemble 6 de vanne(s) comprend une vanne à trois voies ayant une entrée reliée à la sortie système 3 de compression et deux sorties reliées respectivement aux deux régénérateurs 4 disposés en parallèle (une première extrémité de chaque régénérateur). De préférence cette vanne 6 trois voies est du type vanne pilotée.

Le deuxième ensemble 7 de vanne(s) comprend ou est constitué d’un pont de distributeur de type aéraulique.

L'ensemble des équipements mobiles des vannes 6, 7 peut être commandé par un même actionneur pour assurer des séquencements de manière adaptée et faciliter l’intégration.

Un tel pont distributeur est un système passif. Un actionneur contrôle un élément mobile (arbre usiné dans un logement, système de tiroir type distributeur aéraulique, ou autre…) pour alimenter en gaz un circuit puis un autre alternativement et récupérer le flux basse pression détendu dans la turbine 5 de détente puis réchauffé dans l’échangeur 12 de chaleur. Cet actionneur peut être localisé à température ambiante en dehors de ladite boîte froide pour faciliter sa maintenance le cas échéant. Un actionneur unique peut comporter la fonction des systèmes de vannes trois voies et de pont de distribution hydraulique ou aéraulique tel que représentés sur les figures.

Ce pont distributeur isole respectivement les circuits haute pression et basse pression alternativement grâce à un jeu de joints d’étanchéité ou tout autre système d’étanchéité suffisamment adapté et robuste pour limiter les temps entre les maintenance et limiter sensiblement les débits de fuite entre les alimentations à haute pression et échappements à basse pression. Par exemple, le deuxième ensemble 7 de vanne(s) comprend un boîtier muni de quatre orifices d’entrée/sortie et configuré pour assurer de liaisons fluidique entre deux paires d’orifices en fonction du différentiel de pression entre les orifices.

Ainsi, contrairement à l’art antérieur précité, le système à clapets anti-retour est remplacé par un distributeur de type aéraulique qui ne nécessite pas un niveau d’étanchéité critique.

Par exemple, le deuxième ensemble 7 de vanne(s) comprend un organe 9 distributeur rotatif (cf. ) ou translatif (cf. ) configuré, selon sa position pour assurer une liaison fluidique entre deux paires d’orifices.

Le circuit 2 de cycle comprend un troisième ensemble 8 de vanne(s) configuré pour relier l’entrée du système 3 de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs 4 (les premières extrémités des régénérateurs). Ceci permet de renvoyer le flux provenant du système 5 de détente vers la compression.

Le troisième ensemble 8 de vanne(s) comprend ou est constitué par exemple d’une vanne pilotée à trois voies ayant deux entrées reliées respectivement aux deux régénérateurs 4 (premières extrémités) et une sortie reliée à l’entrée du système 3 de compression.

De préférence, le premier ensemble 6 de vanne(s) et le troisième ensemble 8 de vanne(s) sont des vannes pilotées commandées de façon synchronisée.

Le premier 6 ensemble de vanne(s), le troisième 8 ensembles de vanne(s) et le deuxième ensemble 7 de vanne(s) peuvent être logés dans un même organe de distribution aéraulique configuré pour synchroniser le fonctionnement des premier 6, second 7 et troisième 8 ensembles de vanne(s).

C’est-à-dire que la synchronisation de l’ensemble des systèmes de distribution aéraulique peut être réalisée via un seul et unique composant.

Bien entendu l’invention n’est pas limitée à l’exemple ci-dessus.

Ainsi il pourrait être envisagé de se passer de tout échangeur de chaleur récupératif sur la batterie d’échange principal. C’est-à-dire que, à la sortie du deuxième ensemble 7 de vanne(s), l’hélium est directement à la température d’aspiration du dispositif de détente 5.

Il est possible de prévoir un réservoir tampon au niveau de l’entrée de la turbine 5 de détente (par exemple entre le deuxième ensemble de vanne(s) 7 et l’entrée de la turbine 5) pour lisser les fluctuations (en amplitude par exemple) de pression et assurer un régime de débit relativement constant à l'aspiration de la turbine 5 de détente

Le réfrigérateur 1 peut fonctionner selon un processus linéaire pour la compression 3 et également selon un processus linéaire ultérieur pour la détente 5. En revanche, les ensembles de vanne(s) précités assurent des commutations alternatives comme illustré ci-dessus et aux figures.

Lors d’une première phase, le fluide chaud à haute pression est dirigé vers un premier régénérateur 4 (cf. , voies ouvertes de la vanne en blanc, voie fermée en noir). Le fluide est refroidi dans la matrice du régénérateur 4 en le traversant.

Grâce au différentiel de pression, la voie du deuxième ensemble 7 de vanne(s) permettant le passage du flux comprimé vers la détente 5 est ouverte. Après détente et après son échange thermique 13 avec l’application, le flux froid remonte via l’autre voie correspondante ouverte. Le fluide froid se réchauffe en progressant le long de la matrice de l’autre régénérateur 4. Ainsi, pendant qu’un régénérateur 4 est réchauffé par le flux descendant l’autre est refroidi par le flux remontant. Après un temps défini par exemple par le pincement thermique maximum alloué, et éventuellement la capacité de stockage de chaleur des régénérateurs, le cycle est inversé.

Ce pincement thermique peut être mesuré en sortie des régénérateurs pour atteindre une valeur de consigne proche des valeurs classiques dans les applications cryogéniques à basse température. Typiquement un pincement de l’échangeur de chaleur récupératif doit être maintenu à une valeur donnée par la formule suivante: Température de pincement / 100.De plus, une sonde de température peut être intégrée dans le ou les régénérateurs 4 pour contrôler l'équilibrage thermique en allongeant ou raccourcissant la durée d’un cycle par rapport à l’autre.

Lors d’une deuxième phase les directions des flux sont changées (cf. ]). Les flux au sein de la compression 3 et de la détente 5 ne changent cependant pas. Ceci permet d’utiliser des technologies largement référencées de type compression volumétrique ou centrifuge par exemple.

Le réfrigérateur 1 peut avoir une structure peu coûteuse (régénérateurs 4 à base de tube en acier avec empilement de grilles ou matériaux poreux/mousses ou billes de matériaux divers).

Le choix matériau (acier, plastique, céramique) et sa porosité peuvent être choisis en fonction des échanges thermiques prévus et des pertes de charge allouées. Les régénérateurs 4 ont de préférence une structure modulable et de facture simple facilitant le dimensionnement (diamètre/longueur des billes ou dimensions caractéristiques des grilles). Il est possible de supprimer des éléments de conduction longitudinale dans les régénérateurs 4 (contacts ponctuels entre grilles et/ou billes limitant la conduction solide longitudinale). Les régénérateurs ont par exemple un diamètre de l’ordre de 100 à 500mm et une longueur de 500mm ou plus.

L’installation peut par exemple fonctionner avec des valeurs de pression suivantes : pression basse après détente comprise entre 1 et 3 bara (par exemple 1,1 bara). La pression haute (en sortie de compression) peut être comprise entre 7 et 20 bara (par exemple 15 bara).

La température au bout chaud (compression) est par exemple à la température ambiante ou proche (par exemple 300K).

La température au bout froid (détente) est par exemple à la température d’environ 4 à 50K ou proche (par exemple 4,5K pour les applications utilisant l’hélium liquide ou 20K pour les applications utilisant l’hydrogène liquide).

Le débit massique de fluide de cycle (hélium) peut être compris par exemple entre 5 et 150 g/s (par exemple 50 g/s).

La schématise d’une autre manière la structure et le fonctionnement (compression 3 et détente 5 en mode continu et régénérateurs 4 en mode alternatif). Le(s) ensemble(s) de vanne(s) peuvent être de simples distributeurs permettant d’alterner le sens de passage du fluide dans les organes.

Le gaz de cycle peut être constitué d’hélium ou d’hydrogène ou de leur mélange ou de tout autre mélange, par exemple incluant l’hélium et/ou l’hydrogène.

Claims

Réfrigérateur à gaz de cycle comprenant, disposés en série dans un circuit (2) de cycle contenant un gaz de cycle comprenant par exemple de l’hélium et/ou de l’hydrogène, un système (3) de compression du gaz de cycle, un système (4) de régénérateurs, un système de détente (5) du gaz de cycle comprimé, le système (4) de régénérateurs comprenant au moins deux régénérateurs disposés en parallèle, le circuit (2) de cycle comprenant un premier ensemble (6) de vanne(s) configuré pour relier la sortie du système (3) de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs (4) en parallèle, le circuit (2) de cycle comprenant un deuxième ensemble (7) de vanne(s) configuré pour relier la sortie d’un premier régénérateur (4) alimenté en gaz de cycle comprimé avec l’entrée du système de détente (5) et la sortie du système (5) de détente avec un second régénérateur (4) avant d’être renvoyé à l’entrée du système (3) de compression, pour permettre au gaz de cycle comprimé d’être refroidi par son écoulement dans un régénérateur (4) puis être détendu et injecté dans l'autre régénérateur (4) pour le traverser et le refroidir, caractérisé en ce que le premier ensemble (6) de vanne(s) comprend une vanne à trois voies ayant une entrée reliée à la sortie système (3) de compression et deux sorties reliées respectivement aux deux régénérateurs (4) disposés en parallèle et en ce que le deuxième ensemble (7) de vanne(s) comprend un pont de distributeur de type aéraulique.
Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (2) de cycle comprend un troisième ensemble (8) de vanne(s) configuré pour relier l’entrée du système (3) de compression avec alternativement tour à tour les régénérateurs (4) en parallèle ayant récupéré le flux de gaz de cycle provenant du système (5) de détente.
Réfrigérateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième ensemble (8) de vanne(s) comprend une vanne pilotée à trois voies ayant deux entrées reliées respectivement aux deux régénérateurs (4) disposés en parallèle et une sortie reliée à l’entrée du système (3) de compression.
Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier ensemble (6) de vanne(s) et le troisième ensemble (8) de vanne(s) sont des vannes pilotées commandées de façon synchronisée.
Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier (6) ensemble de vanne(s), le troisième (8) ensembles de vanne(s) et le deuxième ensemble (7) de vanne(s) sont logés dans un même organe de distribution aéraulique configuré pour synchroniser le fonctionnement des premier (6), second (7) et troisième (8) ensembles de vanne(s).
Réfrigérateur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le deuxième ensemble (7) de vanne(s) comprend un boîtier muni de quatre orifices d’entrée/sortie et configuré pour assurer de liaisons fluidique entre deux paires d’orifices en fonction du différentiel de pression entre les orifices.
Réfrigérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le deuxième ensemble (7) de vanne(s) comprend un organe (9) distributeur rotatif ou translatif configuré, selon sa position pour assurer des liaisons fluidiques entre deux paires d’orifices.