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Dispositif de réfrigération de cellules renfermant des échantillons liquides en particulier des échantillons de produits pétroliers à analyser
La présente invention concerne un dispositif de réfrigération de cellules renfermant des échantillons liquides plus ou moins visqueux en particulier des échantillons de produits pétroliers à analyser dans des gammes de températures pouvant aller d'environ + 50 à-120 C.
Certains tests physico-chimiques se rattachant au domaine de l'analyse des produits pétroliers nécessitent un refroidissement des cellules d'analyse et des échantillons qui y sont contenus à des températures pouvant aller jusqu'à - 800C voire - 1200c dans certains cas particuliers ; parmi ces tests, on peut citer à titre d'exemple non limitatif la détermination de la température limite de filtrabilité, du point de décongélation, du point d'écoulement, du point de trouble ou encore du point d'éclair Tag et Abel.
Dans ce but, on utilise classiquement un dispositif du type représenté sur la figure 1 schématiquement constitué par un cryostat de type Rankine 1 équipé d'une réserve de liquide caloporteur froid et coopérant avec un circuit de circulation 2 de ce fluide selon les flèches a, ce circuit comportant une pompe de circulation 3.
Le circuit de circulation 2 est équipé d'un serpentin 4 entourant la cellule 5 devant être refroidie.
L'ensemble constitué par le serpentin 4 et la cellule à refroidir 5 est placé dans une enveloppe isotherme 6 renfermant un isolant thermique 7. Une sonde de température 8 permet de vérifier à tout instant la température de la cellule 5.
Ce dispositif classique dans lequel la cellule, renfermant l'échantillon, est refroidie par contact avec le serpentin dans lequel circule le fluide caloporteur présente un certain nombre d'inconvénients.
Il est en particulier à noter que le refroidissement d'une cellule à une température de-80 C nécessite la mise en oeuvre d'un liquide caloporteur à une température d'environ-85 C à-90 C, ce qui oblige à utiliser un cryogénérateur de type Rankine à double étage ; or, de tels cryo-
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générateurs sont des appareils volumineux, bruyants et fragiles.
De plus, pour refroidir la cellule, il est nécessaire de disposer d'une réserve d'un liquide caloporteur froid restant fluide à très basse température ; à cet effet, on utilise actuellement essentiellement le méthanol vu que les autres liquides disponibles dont la mise en oeuvre pourrait également être envisagée sont soit très chers soit très volatils à température ambiante. Or, du fait de sa toxicité, il est probable que l'utilisation du méthanol dans les laboratoires sera interdite à court terme.
Par ailleurs, du fait de leur relative fragilité, les cryo-générateurs de type Rankine ne sont pas intégrés dans les analyseurs, ce qui nécessite des lignes de liaison isolées thermiquement avec ces derniers ; or, ces lignes de liaison sont source de risques de fuites et de pertes thermiques importantes, et en conséquence le rendement global de ce type de source de froid est très faible.
Il est de plus à noter que la maîtrise de la température des cellules est délicate du fait de la disproportion de l'énergie disponible et de l'énergie nécessaire, ainsi que des chocs thermiques imposés à la cellule à chaque injection de fluide caloporteur.
La présente invention a pour objet de proposer un dispositif permettant la réfrigération à très basse température de cellules renfermant des échantillons liquides, en particulier des échantillons de produits pétroliers à analyser de nature à remédier à ces inconvénients.
A cet effet, elle concerne un dispositif caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une unité de refroidissement à cycle de Stirling ou à gaz pulsé et d'autre part des organes de transmission de la chaleur à contact sec montés sur cette unité de refroidissement et coopérant avec la cellule renfermant l'échantillon à analyser de façon à permettre de refroidir cet échantillon à la température souhaitée.
Les unités de refroidissement à cycle de Stirling ou à gaz pulsé qui ont été conçues en particulier pour le refroidissement à très basse température de composants électro-
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niques sont schématiquement constituées par un module de compression coopérant avec un doigt froid, relié à une source de courant alternatif et équipé de moyens susceptibles de faire varier périodiquement la pression d'un gaz de travail à haute pression, notamment de l'hélium remplissant une chambre de travail subdivisée en plusieurs compartiments s'étendant dans le module de compression et dans le doigt froid ;
il est ainsi possible de provoquer dans un compartiment froid situé à l'extrémité du doigt froid opposée au module de compression ou première extrémité une détente du gaz de travail permettant d'obtenir de très basses températures à ce niveau.
Selon l'invention, les organes de transmission de la chaleur à contact sec sont montés sur le doigt froid, au niveau de la première extrémité de celui-ci.
La configuration de ces organes de transmission de la chaleur varie en fonction du test devant être mis en oeuvre.
Selon une variante de l'invention adaptée à titre d'exemple à la détermination de la température limite de filtrabilité de produits pétroliers conformément à la norme européenne pr EN 116, les organes de transmission de la chaleur sont constitués par une gaine tubulaire métallique notamment en cuivre entourant la cellule renfermant l'échantillon à analyser et équipée sur sa paroi latérale d'un manchon réalisé dans le même matériau dont la forme et les dimensions correspondent à celles de la première extrémité du doigt froid et venant coiffer cette première extrémité.
Conformément à cette variante, la gaine tubulaire ainsi que la première extrémité du doigt froid coiffé du manchon métallique sont montés à la partie interne d'une enveloppe isotherme renfermant un isolant thermique.
La configuration des organes de transmission de la chaleur peut bien entendu être totalement différente en fonction du test à effectuer et par suite du type de cellules à refroidir.
Dans tous les cas, les organes de transmission de la chaleur sont équipés d'une sonde de température coopérant
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avec des organes de régulation permettant de régler finement la température de la cellule.
De manière plus précise, une unité de refroidissement à cycle de Stirling comporte en règle générale un module de compression essentiellement cylindrique ainsi qu'un doigt froid lui aussi essentiellement cylindrique situé dans le prolongement du module de compression coaxialement à ce module mais ayant un diamètre moindre.
Le module de compression renferme au moins un piston principal commandé par un moteur linéaire ou rotatif alimenté par la source de courant alternatif et se déplaçant en va-et-vient pour comprimer le gaz de travail dans un compartiment de compression. Le doigt froid renferme quant à lui un piston balayeur creux rempli d'un échangeur de chaleur, monté élastiquement, se déplaçant à la même fréquence que le piston principal mais en opposition de phase et coopérant avec celui-ci pour faire varier périodiquement la pression du gaz de travail dans les différents compartiments de la chambre de travail ;
ce piston balayeur subdivise le doigt froid à sa partie interne en deux compartiments communiquant entre eux au travers de l'échangeur de chaleur, à savoir d'une part le compartiment froid situé à la première extrémité du doigt froid et d'autre part un compartiment chaud situé à l'extrémité opposée de ce doigt et relié au compartiment de compression.
Une telle unité de refroidissement connue en elle-même dont la configuration est à titre d'exemple divulguée dans les documents US-A-4 894 996 et US-A-5 088 288 ne sera pas dans un but de brièveté décrite plus en détail dans le cadre de cet exposé.
Compte tenu des vibrations engendrées par le déplacement périodique du piston principal et du piston balayeur, le dispositif de réfrigération conforme à l'invention doit obligatoirement coopérer avec des organes d'amortissement de ces vibrations lorsqu'il est équipé d'une telle unité de refroidissement.
A cet effet, et selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de refroidissement est fixée, au
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moyen de pattes support montées solidairement sur sa paroi latérale à une plaque de lestage, notamment en acier de masse adaptée, essentiellement parallèle à son axe longitudinal et reposant sur au moins trois, de préférence sur quatre amortisseurs.
Les caractéristiques du dispositif qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif con- forme à l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique similaire à la figure 1 du dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un dispositif conforme à l'invention adapté à la détermination de la température limite de filtrabilité d'un échantillon renfermé dans une cellule, selon la Norme pr EN-116, - la figure 4 est une vue en perspective d'un dispositif con- forme à l'invention adapté à la détermination du point de décongélation d'un échantillon renfermé dans une cellule.
Selon la figure 2 le dispositif de refroidissement est constitué par l'association d'une unité de refroidissement 10 à cycle de Stirling ou à gaz pulsé et d'organes de transmission de la chaleur 11 à contact sec permettant de refroidir à la température souhaitée une cellule 12 renfermant un échantillon à analyser.
L'ensemble constitué par les organes de transmission de la chaleur 11 et la cellule 12 est monté à la partie interne d'une enveloppe isotherme 13 renfermant un isolant thermique 14. Une sonde de température 15 permet de déterminer à tout instant la température de la cellule 12.
Plus précisément, l'unité de refroidissement 10 est constituée par un module de compression 16 coopérant avec un doigt froid 17 dont l'extrémité froide 18 située à l'opposé du module de compression 16 porte les organes de transmission de la chaleur 11 à contact sec.
Selon les figures 3 et 4, l'unité de refroidissement 10 comporte un module de compression 16 essentiellement cylindrique ainsi qu'un doigt froid 17 lui aussi essentielle-
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ment cylindrique et situé dans le prolongement du module de compression 16 coaxialement à ce module ; le diamètre du doigt froid 17 est inférieur à celui du module de compression 16.
L'unité de refroidissement 10 ainsi constituée est fixée au moyen de pattes support 19 montées sur la paroi latérale du module de compression 16 sur une plaque de lestage en acier 20 de masse déterminée pour équilibrer les vibrations engendrées par le mouvement de va-et-vient des pistons se déplaçant à la partie interne de l'unité de refroidissement 10.
Comme représenté sur les figures 3 et 4 la plaque de lestage est parallèle à l'axe longitudinal de l'unité de refroidissement 10 et repose sur quatre amortisseurs 21.
Selon la figure 3, l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 est coiffée d'un manchon annulaire en cuivre 22 de dimension correspondante.
Le manchon annulaire 22 est fixé sur la paroi latérale d'une gaine tubulaire en cuivre 24 entourant une cellule 25 de détermination de la température limite de filtrabilité d'un échantillon.
Selon la norme européenne pr EN 116, la cellule 25 est constituée par une pipette 26 de forme particulière constituée d'un réservoir, d'un tube d'entrée et d'un tube de sortie relié à une source de vide. Le tube d'entrée passe au travers d'un bouchon 27 fermant la gaine tubulaire 24 et est relié à son extrémité inférieure à un récipient 28 renfermant l'échantillon à analyser par l'intermédiaire d'organes de filtration 29.
Un panier centreur 30 permet le maintien du tube d'entrée à la partie interne de la gaine tubulaire 24.
Le bouchon 27 est par ailleurs muni d'une sonde de température 31 permettant de déterminer à chaque instant la température régnant à l'intérieur du récipient 28.
Selon la figure 3, l'ensemble formé par la gaine tubulaire 24 et par le manchon annulaire 22 coiffant l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 constitue les organes de transmission de la chaleur à contact sec 11.
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Cet ensemble 11 est fixé sur la plaque de lestage 20, au niveau de l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 par l'intermédiaire d'un cavalier de bridage 32 et d'une bague supérieure 33.
Selon la figure 4, les organes de transmission de la chaleur à contact sec 11'sont constitués par une plaque de transmission métallique 35 emmanché sur le doigt froid 17 et maintenu sur celui-ci au moyen d'une bride 34.
Le capot de transmission 35 s'applique contre l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 par la face interne de son fond 36.
La face externe du fond 36 de la plaque de transmission 35 opposée à la face interne par laquelle elle s'applique contre l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 porte une cellule 37 de détermination du point de décongélation d'un échantillon.
Cette cellule 37 est équipée d'un orifice d'entrée 38 et d'un orifice d'évacuation 39 de l'échantillon à analyser ainsi que de deux capteurs optiques 40 et 40'faisant respectivement office d'émetteur et de récepteur. Un capteur de température 41 fixé à la cellule 36 par l'intermédiaire d'une bride 39 permet de suivre à tout instant la température de l'échantillon.
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Cell refrigeration device containing liquid samples, in particular samples of petroleum products to be analyzed
The present invention relates to a cell refrigeration device containing more or less viscous liquid samples, in particular samples of petroleum products to be analyzed in temperature ranges which can range from approximately + 50 to −120 C.
Certain physico-chemical tests relating to the field of petroleum product analysis require cooling of the analysis cells and of the samples contained therein to temperatures which can range up to -800C or even -1200C in certain specific cases; among these tests, there may be mentioned by way of nonlimiting example the determination of the limit filterability temperature, the thawing point, the pour point, the cloud point or even the flash point Tag and Abel.
To this end, a device of the type represented in FIG. 1 is conventionally used, schematically constituted by a Rankine type cryostat 1 equipped with a reserve of cold heat-transfer liquid and cooperating with a circulation circuit 2 of this fluid according to the arrows a this circuit comprising a circulation pump 3.
The circulation circuit 2 is equipped with a coil 4 surrounding the cell 5 to be cooled.
The assembly constituted by the coil 4 and the cell to be cooled 5 is placed in an isothermal envelope 6 containing a thermal insulator 7. A temperature probe 8 makes it possible to check the temperature of the cell 5 at any time.
This conventional device in which the cell, containing the sample, is cooled by contact with the coil in which the heat transfer fluid circulates has a number of drawbacks.
It should be noted in particular that the cooling of a cell to a temperature of -80 ° C. requires the use of a heat-transfer liquid at a temperature of approximately -85 ° C. to -90 ° C., which requires the use of a double-stage Rankine type cryogenerator; however, such cryo-
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generators are bulky, noisy and fragile devices.
In addition, to cool the cell, it is necessary to have a reserve of a cold heat-transfer liquid remaining fluid at very low temperature; for this purpose, methanol is currently used mainly since the other available liquids whose implementation could also be envisaged are either very expensive or very volatile at room temperature. However, because of its toxicity, it is likely that the use of methanol in laboratories will be prohibited in the short term.
Furthermore, because of their relative fragility, the cryo-generators of the Rankine type are not integrated into the analyzers, which requires thermally insulated connection lines with the latter; however, these connecting lines are a source of risk of leaks and significant thermal losses, and consequently the overall efficiency of this type of cold source is very low.
It should also be noted that controlling the temperature of the cells is difficult due to the disproportion of the energy available and the energy required, as well as the thermal shocks imposed on the cell on each injection of heat transfer fluid.
The object of the present invention is to propose a device allowing the refrigeration at very low temperature of cells containing liquid samples, in particular samples of petroleum products to be analyzed so as to remedy these drawbacks.
To this end, it relates to a device characterized in that it comprises on the one hand a Stirling cycle or pulsed gas cooling unit and on the other hand dry contact heat transfer members mounted on this unit cooling and cooperating with the cell containing the sample to be analyzed so as to allow this sample to cool to the desired temperature.
Stirling cycle or pulsed gas cooling units which have been designed in particular for very low temperature cooling of electro-
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nics are schematically constituted by a compression module cooperating with a cold finger, connected to an alternating current source and equipped with means capable of periodically varying the pressure of a working gas at high pressure, in particular helium filling a working chamber subdivided into several compartments extending in the compression module and in the cold finger;
it is thus possible to cause, in a cold compartment situated at the end of the cold finger opposite the compression module or first end, an expansion of the working gas making it possible to obtain very low temperatures at this level.
According to the invention, the dry contact heat transfer members are mounted on the cold finger, at the first end thereof.
The configuration of these heat transmission members varies depending on the test to be carried out.
According to a variant of the invention adapted by way of example for determining the limit temperature for filterability of petroleum products in accordance with European standard pr EN 116, the heat transmission members consist of a metallic tubular sheath, in particular of copper surrounding the cell containing the sample to be analyzed and equipped on its side wall with a sleeve made of the same material whose shape and dimensions correspond to those of the first end of the cold finger and which comes to cap this first end.
According to this variant, the tubular sheath as well as the first end of the cold finger capped with the metal sleeve are mounted on the internal part of an isothermal envelope containing a thermal insulator.
The configuration of the heat transmission members can of course be totally different depending on the test to be performed and therefore the type of cells to be cooled.
In all cases, the heat transfer devices are fitted with a cooperating temperature probe
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with regulating organs allowing fine adjustment of the cell temperature.
More specifically, a Stirling cycle cooling unit generally comprises an essentially cylindrical compression module as well as a cold finger, also essentially cylindrical, located in the extension of the compression module coaxially with this module but having a smaller diameter. .
The compression module contains at least one main piston controlled by a linear or rotary motor powered by the alternating current source and moving back and forth to compress the working gas in a compression compartment. The cold finger, for its part, contains a hollow sweeping piston filled with an elastically mounted heat exchanger, moving at the same frequency as the main piston but in phase opposition and cooperating with the latter to periodically vary the pressure of the working gas in the different compartments of the working chamber;
this sweeping piston subdivides the cold finger at its internal part into two compartments communicating with each other through the heat exchanger, namely on the one hand the cold compartment located at the first end of the cold finger and on the other hand a compartment located at the opposite end of this finger and connected to the compression compartment.
Such a cooling unit known in itself, the configuration of which is by way of example disclosed in documents US-A-4,894,996 and US-A-5,088,288 will not be for the purpose of brevity described in more detail. as part of this talk.
Taking into account the vibrations generated by the periodic movement of the main piston and the sweeping piston, the refrigeration device according to the invention must necessarily cooperate with members for damping these vibrations when it is equipped with such a cooling unit. .
To this end, and according to another characteristic of the invention, the cooling unit is fixed to the
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means of support legs mounted integrally on its side wall to a ballast plate, in particular of steel of suitable mass, essentially parallel to its longitudinal axis and resting on at least three, preferably on four shock absorbers.
The characteristics of the device which is the subject of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic view of a device according to the prior art, - the Figure 2 is a schematic view similar to Figure 1 of the device according to the invention, - Figure 3 is an exploded perspective view of a device according to the invention suitable for determining the limit filterability temperature of a sample contained in a cell, according to the standard pr EN-116, - Figure 4 is a perspective view of a device according to the invention suitable for determining the thawing point of a sample contained in a cell.
According to FIG. 2, the cooling device consists of the combination of a Stirling cycle or pulsed gas cooling unit 10 and dry contact heat transfer members 11 allowing cooling to the desired temperature. cell 12 containing a sample to be analyzed.
The assembly constituted by the heat transmission members 11 and the cell 12 is mounted on the internal part of an isothermal envelope 13 containing a thermal insulator 14. A temperature probe 15 makes it possible to determine at any time the temperature of the cell 12.
More specifically, the cooling unit 10 is constituted by a compression module 16 cooperating with a cold finger 17, the cold end 18 located opposite the compression module 16 carries the heat transmission members 11 in contact dry.
According to FIGS. 3 and 4, the cooling unit 10 comprises a compression module 16 which is essentially cylindrical as well as a cold finger 17 which is also essential.
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ment cylindrical and located in the extension of the compression module 16 coaxially with this module; the diameter of the cold finger 17 is less than that of the compression module 16.
The cooling unit 10 thus formed is fixed by means of support lugs 19 mounted on the side wall of the compression module 16 on a steel ballast plate 20 of determined mass to balance the vibrations generated by the back-and-forth movement. comes from the pistons moving to the internal part of the cooling unit 10.
As shown in FIGS. 3 and 4, the ballast plate is parallel to the longitudinal axis of the cooling unit 10 and rests on four shock absorbers 21.
According to FIG. 3, the cold end 18 of the cold finger 17 is capped with an annular copper sleeve 22 of corresponding dimension.
The annular sleeve 22 is fixed to the side wall of a tubular copper sheath 24 surrounding a cell 25 for determining the limit temperature of filterability of a sample.
According to European standard pr EN 116, the cell 25 is constituted by a pipette 26 of particular shape consisting of a reservoir, an inlet tube and an outlet tube connected to a vacuum source. The inlet tube passes through a plug 27 closing the tubular sheath 24 and is connected at its lower end to a container 28 containing the sample to be analyzed by means of filtration members 29.
A centering basket 30 allows the inlet tube to be held in the internal part of the tubular sheath 24.
The stopper 27 is moreover provided with a temperature probe 31 enabling the temperature prevailing inside the container 28 to be determined at all times.
According to FIG. 3, the assembly formed by the tubular sheath 24 and by the annular sleeve 22 covering the cold end 18 of the cold finger 17 constitutes the dry contact heat transmission members 11.
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This assembly 11 is fixed to the ballasting plate 20, at the cold end 18 of the cold finger 17 by means of a clamping jumper 32 and an upper ring 33.
According to FIG. 4, the dry contact heat transmission members 11 ′ are constituted by a metal transmission plate 35 fitted on the cold finger 17 and held thereon by means of a flange 34.
The transmission cover 35 is applied against the cold end 18 of the cold finger 17 by the internal face of its bottom 36.
The external face of the bottom 36 of the transmission plate 35 opposite the internal face by which it is applied against the cold end 18 of the cold finger 17 carries a cell 37 for determining the thawing point of a sample.
This cell 37 is equipped with an inlet port 38 and an outlet port 39 for the sample to be analyzed as well as with two optical sensors 40 and 40 'acting respectively as transmitter and receiver. A temperature sensor 41 fixed to the cell 36 by means of a flange 39 makes it possible to monitor the temperature of the sample at any time.