CH513377A - Procédé de réfrigération d'un fluide - Google Patents

Procédé de réfrigération d'un fluide

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Description


  
 



  Procédé de réfrigération d'un fluide
 La présente invention a pour objet un procédé de réfrigération d'un fluide.



   Ce procédé peut être appliqué en particulier au refroidissement de   l'air-en    vue de sa liquéfaction.



   Le procédé objet de   Finvention    est caractérisé par le fait que l'on comprime un gaz dans un compresseur, qu'on divise le gaz comprimé en deux courants au premier desquels on fait parcourir un cycle moteur fermé comprenant le le chauffage du gaz par une source de chaleur extérieure, sa détente dans une turbine entrainant le compresseur, son refroidissement par une source extérieure et sa réintroduction dans le compresseur, le gaz quittant la turbine motrice cédant de la chaleur au gaz comprimé avant le chauffage de celui-ci par la source de chaleur extérieure, et qu'au deuxième desdits courants on fait parcourir un cycle de réfrigération fermé comprenant le refroidissement du gaz par une source extérieure, sa détente dans une deuxième turbine, son réchauffage par le fluide à refroidir et sa réintroduction dans le compresseur,

   le gaz comprimé après son refroidissement par la source extérieure étant refroidi par le gaz détendu provenant de la deuxième turbine après que ce gaz a été réchauffé par le fluide à refroidir.



   Les cycles de ce procédé de réfrigération étant fermés, celui-ci présente de nombreux avantages, notamment lorsqu'il est appliqué à la liquéfaction d'un gaz, du fait de l'absence de contamination atmosphérique, de la possibilité   d"un    choix arbitraire des pressions et des densités du gaz de travail, des caractéristiques de transmission de la chaleur et du point d'ébullition ou de la température critique. Dans ce procédé, on n'est pas gêné dans la détermination du gaz de travail par les caractéristiques du fluide à refroidir, par exemple d'un gaz à liquéfier, étant donné que la seule condition est que le gaz de travail soit capable de fournir l'effet   de réfrigération    désiré.



   Le dessin représente, schématiquement à titre d'exemple, une installation pour la mise en oeuvre du -procédé. Dans cette installation le gaz de travail est l'hélium. L'hélium entre dans un compresseur 10 à   -une    pression de   12,65 kg/cm2    et à une température ambiante de   2950 K.    L'hélium est déchargé du -côté haute pression du compresseur à une pression de 18,75 kg/cm2 et à une température de 2440 K. L'écoulement provenant du conduit de sortie 11 du compresseur se divise en deux courants, soit un courant qui s'écoule dans un circuit moteur 12, et un courant qui   s 'écoule    dans un circuit de réfrigération 13.

  Le gaz du circuit moteur passe tout d'abord à travers une voie d'un échangeur 14, où il est chauffé à 8290 K et ensuite à travers un   serpentin -échangeur    de chaleur d'un dispositif de combustion 15, 16, qui sert à chauffer le gaz jusqu'à   9220 K.    Le gaz se détend ensuite dans une turbine 17 entraînant le compresseur 10. A la sortie de la turbine 17, la pression est de 13,30 kg/cm2 et la température 8320 K. Le gaz passe ensuite à travers l'autre voie de l'échangeur 14 où il est refroidi jusqu'à environ la température de sortie du compresseur. Finalement, le gaz passe à travers un refroidisseur 18 d'où il est ramené au compresseur   10.   



  Le refroidisseur 18 peut être refroidi par de l'eau ou par de l'air.



   Le courant qui s'écoule à travers la conduite -13, passe tout d'abord à travers un dispositif de refroidissement 19, où il est refroidi par de l'eau jusqu'à   295     K, la chute de pression étant légère et ayant une valeur d'environ 0,35 kg/cm2. Le courant passe alors à travers une voie d'un échangeur 20, où il est refroidi jusqu'à   78"    K. Le gaz passe ensuite dans une turbine 21, dans laquelle il se détend, la température s'abaissant jusqu'à   71"    K. La turbine 21 entraîne -une génératrice 22 par un arbre 23. Le courant de gaz refroidi passe alors à travers un serpentin échangeur de chaleur 24 qui refroidit le fluide à refroidir qui s'écoule à travers le serpentin 26.

  Venant du serpentin 24, l'hélium à basse pression traverse l'autre voie de l'échangeur 20, où il refroidit   l'hélium    du côté haute pression.



  L'hélium achève alors son circuit de réfrigération en retournant au compresseur à la pression de 12,65 kg/  cm2. Le fluide à refroidir peut être de l'air à liquéfier et en vue de séparer ses composants par rectification.



   Un moteur électrique 34 de démarrage peut être couplé au compresseur par un accouplement 36. Un accouplement 37 permet d'accoupler la turbine 21 directement avec le compresseur 10.



   On met l'installation décrite en marche en   fournis    sant tout d'abord de l'eau ou de l'air de refroidissement aux dispositifs 18 et 19, en fournissant du gaz ou de l'air à condenser au serpentin 26 et ensuite en faisant tourner le compresseur 10 au moyen du moteur 34. Une fois que le compresseur a atteint sa vitesse, de la chaleur est fournie au serpentin 15, de sorte que la turbine 17 se charge du travail de l'entraînement du compresseur, et   l'on    peut arrêter l'alimentation du moteur de démarrage 34 et débrayer ledit moteur d'avec l'arbre 35. Quand les serpentins de réfrigération 24, 26 ont une température qui se trouve réduite à la valeur appropriée, les composants de l'air se liquéfient par passage à travers le serpentin 26.



   En utilisant l'hélium, l'hydrogène ou le néon, comme fluide de travail, on peut liquéfier à la pression atmosphérique des gaz tels que le méthane, l'oxygène, l'argon et l'azote.



   Afin d'obtenir des températures très basses au moyen de l'installation décrite, le rendement de l'échangeur 20 doit être aussi élevé que possible. Par exemple lorsque les températures à obtenir au moyen du circuit de réfrigération sont au moins de l'ordre de celle de l'azote liquide,   c'està-dire    inférieure à 780 K, il est nécessaire que le rendement de l'échangeur 20 soit de l'ordre de   990/o.    Pour la liquéfaction de l'air en faisant usage d'hélium comme fluide de travail, il faut que le rendement de l'échangeur 20 soit supérieur à   970/o.    S'il s'agissait d'une liquéfaction du méthane avec de l'azote comme fluide de travail, il faut que le rendement de l'échangeur 20 ne soit pas inférieur à   95 /o    mais cela constitue la limite inférieure pour le travail dans l'intervalle cryogène.

  Le rendement de l'échangeur 14 peut être inférieur à celui de l'échangeur 20 du fait que la perte est facilement compensée par la fourniture de plus de chaleur au cycle moteur. Le rendement de l'échangeur 14 sera au-dessus de   90 /o    et de préférence beaucoup plus haut.



   Dans l'installation décrite, pour obtenir une température de 710 K à la sortie de la turbine 21 et une température de   77    K à la sortie du dispositif 24, 26 il faut avoir un rapport de pression d'environ 1,5, en utilisant l'hélium. Si   l'on    se sert d'hélium pour liquéfier de l'hydrogène, le rapport de pression nécessaire peut être encore obtenu étant donné que leurs points d'ébullition diffèrent de   16     K et que le procédé décrit fonctionnera à un rapport de température beaucoup plus petit à de telles températures. Un rapport de pression de 2,4 serait suffisant, avec le même rendement de l'installation. Dans le procédé décrit en réalisant des rendements raisonnables, le rapport de pression maximum, avec de l'hélium pour la liquéfaction de l'hydrogène serait inférieur à 2,5.

  Dans toute l'étendue d'un intervalle de 1220   K-1     K, le rapport de pression optimum doit être compris entre 1,25 et 3,0. Si   l'on    se servait d'azote comme fluide de travail jusqu'à   122"    K, le rapport de pression optimum augmenterait jusqu'à 2,425.



      REVENDICATION I   
 Procédé de réfrigération d'un fluide, caractérisé par le fait que   l'on    comprime un gaz dans un compresseur (10), qu'on divise le gaz comprimé en deux courants au premier desquels on fait parcourir un cycle moteur fermé comprenant le chauffage du gaz par une source de chaleur extérieure, sa détente dans une turbine (17) entraînant le compresseur (10), son refroidissement par une source extérieure et sa réintroduction dans le compresseur (10), le gaz quittant la turbine motrice (17) cédant de la chaleur au gaz comprimé avant le chauffage de celui-ci par la source de chaleur extérieure, et qu'au deuxième desdits courants on fait parcourir un cycle de réfrigération fermé comprenant le refroidissement du gaz par une source extérieure, sa détente dans une deuxième turbine (21),

   son réchauffage par le fluide à refroidir et sa réintroduction dans le compresseur (10), le gaz comprimé après son refroidissement par la source extérieure étant refroidi par le gaz détendu provenant de la deuxième turbine (21) après que ce gaz a été réchauffé par le fluide à refroidir.



   SOUS-REVENDICATIONS
 1. Procédé suivant la revendication I avec un rapport de pression dans les circuits (12, 13) maintenu dans une zone dont la limite inférieure est    Mu+ 1   
 2 et la limite supérieure est   2M0 - 1,    caractérisé par le fait que le rapport de pression optimum   Mo    est compris entre 1,25 et 3,0.



   2. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la transmission de chaleur du gaz détendu sortant de la première turbine (17) au gaz du premier courant quittant le compresseur (10), et du gaz comprimé du deuxième courant avant sa détente au gaz réchauffé par le fluide à refroidir est effectuée avec un rendement supérieur à   9O0/o.   



   3. Procédé suivant la   sons-revendication    2, caractérisé par le fait que la transmission de chaleur du gaz du deuxième courant avant sa détente au gaz réchauffé par le fluide à refroidir est effectué avec un rendement supérieur à   9S0/o.   



   4. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que   l'on    utilise un gaz dont la température critique n'est pas supérieure à la température critique de l'azote.

 

   5. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la température du gaz à la sortie de la deuxième turbine (21) est inférieure à 1220 K.



   REVENDICATION Il
 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisée par un compresseur commun (10) alimentant deux circuits comprenant, le premier, disposés en série, une voie d'un échangeur de chaleur (14), un dispositif de chauffage du gaz (15,
 16), une turbine (17) entraînant le compresseur (10), la deuxième voie de l'échangeur de chaleur, et un dispositif de refroidissement du gaz, et le second, disposés en série, un dispositif de refroidissement du gaz, une 

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.

Claims (1)

  1. **ATTENTION** debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC **. cm2. Le fluide à refroidir peut être de l'air à liquéfier et en vue de séparer ses composants par rectification.
    Un moteur électrique 34 de démarrage peut être couplé au compresseur par un accouplement 36. Un accouplement 37 permet d'accoupler la turbine 21 directement avec le compresseur 10.
    On met l'installation décrite en marche en fournis sant tout d'abord de l'eau ou de l'air de refroidissement aux dispositifs 18 et 19, en fournissant du gaz ou de l'air à condenser au serpentin 26 et ensuite en faisant tourner le compresseur 10 au moyen du moteur 34. Une fois que le compresseur a atteint sa vitesse, de la chaleur est fournie au serpentin 15, de sorte que la turbine 17 se charge du travail de l'entraînement du compresseur, et l'on peut arrêter l'alimentation du moteur de démarrage 34 et débrayer ledit moteur d'avec l'arbre 35. Quand les serpentins de réfrigération 24, 26 ont une température qui se trouve réduite à la valeur appropriée, les composants de l'air se liquéfient par passage à travers le serpentin 26.
    En utilisant l'hélium, l'hydrogène ou le néon, comme fluide de travail, on peut liquéfier à la pression atmosphérique des gaz tels que le méthane, l'oxygène, l'argon et l'azote.
    Afin d'obtenir des températures très basses au moyen de l'installation décrite, le rendement de l'échangeur 20 doit être aussi élevé que possible. Par exemple lorsque les températures à obtenir au moyen du circuit de réfrigération sont au moins de l'ordre de celle de l'azote liquide, c'està-dire inférieure à 780 K, il est nécessaire que le rendement de l'échangeur 20 soit de l'ordre de 990/o. Pour la liquéfaction de l'air en faisant usage d'hélium comme fluide de travail, il faut que le rendement de l'échangeur 20 soit supérieur à 970/o. S'il s'agissait d'une liquéfaction du méthane avec de l'azote comme fluide de travail, il faut que le rendement de l'échangeur 20 ne soit pas inférieur à 95 /o mais cela constitue la limite inférieure pour le travail dans l'intervalle cryogène.
    Le rendement de l'échangeur 14 peut être inférieur à celui de l'échangeur 20 du fait que la perte est facilement compensée par la fourniture de plus de chaleur au cycle moteur. Le rendement de l'échangeur 14 sera au-dessus de 90 /o et de préférence beaucoup plus haut.
    Dans l'installation décrite, pour obtenir une température de 710 K à la sortie de la turbine 21 et une température de 77 K à la sortie du dispositif 24, 26 il faut avoir un rapport de pression d'environ 1,5, en utilisant l'hélium. Si l'on se sert d'hélium pour liquéfier de l'hydrogène, le rapport de pression nécessaire peut être encore obtenu étant donné que leurs points d'ébullition diffèrent de 16 K et que le procédé décrit fonctionnera à un rapport de température beaucoup plus petit à de telles températures. Un rapport de pression de 2,4 serait suffisant, avec le même rendement de l'installation. Dans le procédé décrit en réalisant des rendements raisonnables, le rapport de pression maximum, avec de l'hélium pour la liquéfaction de l'hydrogène serait inférieur à 2,5.
    Dans toute l'étendue d'un intervalle de 1220 K-1 K, le rapport de pression optimum doit être compris entre 1,25 et 3,0. Si l'on se servait d'azote comme fluide de travail jusqu'à 122" K, le rapport de pression optimum augmenterait jusqu'à 2,425.
    REVENDICATION I Procédé de réfrigération d'un fluide, caractérisé par le fait que l'on comprime un gaz dans un compresseur (10), qu'on divise le gaz comprimé en deux courants au premier desquels on fait parcourir un cycle moteur fermé comprenant le chauffage du gaz par une source de chaleur extérieure, sa détente dans une turbine (17) entraînant le compresseur (10), son refroidissement par une source extérieure et sa réintroduction dans le compresseur (10), le gaz quittant la turbine motrice (17) cédant de la chaleur au gaz comprimé avant le chauffage de celui-ci par la source de chaleur extérieure, et qu'au deuxième desdits courants on fait parcourir un cycle de réfrigération fermé comprenant le refroidissement du gaz par une source extérieure, sa détente dans une deuxième turbine (21),
    son réchauffage par le fluide à refroidir et sa réintroduction dans le compresseur (10), le gaz comprimé après son refroidissement par la source extérieure étant refroidi par le gaz détendu provenant de la deuxième turbine (21) après que ce gaz a été réchauffé par le fluide à refroidir.
    SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé suivant la revendication I avec un rapport de pression dans les circuits (12, 13) maintenu dans une zone dont la limite inférieure est Mu+ 1 2 et la limite supérieure est 2M0 - 1, caractérisé par le fait que le rapport de pression optimum Mo est compris entre 1,25 et 3,0.
    2. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la transmission de chaleur du gaz détendu sortant de la première turbine (17) au gaz du premier courant quittant le compresseur (10), et du gaz comprimé du deuxième courant avant sa détente au gaz réchauffé par le fluide à refroidir est effectuée avec un rendement supérieur à 9O0/o.
    3. Procédé suivant la sons-revendication 2, caractérisé par le fait que la transmission de chaleur du gaz du deuxième courant avant sa détente au gaz réchauffé par le fluide à refroidir est effectué avec un rendement supérieur à 9S0/o.
    4. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que l'on utilise un gaz dont la température critique n'est pas supérieure à la température critique de l'azote.
    5. Procédé suivant la revendication I, caractérisé par le fait que la température du gaz à la sortie de la deuxième turbine (21) est inférieure à 1220 K.
    REVENDICATION Il Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisée par un compresseur commun (10) alimentant deux circuits comprenant, le premier, disposés en série, une voie d'un échangeur de chaleur (14), un dispositif de chauffage du gaz (15, 16), une turbine (17) entraînant le compresseur (10), la deuxième voie de l'échangeur de chaleur, et un dispositif de refroidissement du gaz, et le second, disposés en série, un dispositif de refroidissement du gaz, une
    voie d'un second échangeur de chaleur (20), une deuxième turbine (21), un dispositif de refroidissement (24, 26) du fluide à refroidir et la deuxième voie du deuxième échangeur de chaleur.
    SOUS-REVENDICATION 6. Installation suivant la revendication II, caractérisée par un accouplement permettant de relier mécaniquement le compresseur (10) à la deuxième turbine (21).
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