EP2665979A2 - Installation et procédé de production d'hélium liquide - Google Patents

Installation et procédé de production d'hélium liquide

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EP2665979A2
EP2665979A2 EP12704863.5A EP12704863A EP2665979A2 EP 2665979 A2 EP2665979 A2 EP 2665979A2 EP 12704863 A EP12704863 A EP 12704863A EP 2665979 A2 EP2665979 A2 EP 2665979A2
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EP
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fluid
circuit
working
helium
installation
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EP12704863.5A
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Jean-Marc Bernhardt
David Grillot
Véronique GRABIE
Eric Fauve
Michel Bonneton
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Definitions

  • the present invention relates to an installation and a method for producing helium.
  • the invention relates more particularly to a liquid helium production installation comprising a refrigeration / liquefaction device, the refrigeration / liquefaction device comprising a working circuit subjecting a helium enriched working fluid to a thermodynamic cycle to produce liquid helium, the circuit comprising at least one working fluid compression member and a plurality of heat exchangers for cooling / heating the fluid to temperature levels determined during the cycle, the installation comprising a plurality of fluid recovery lines having respective upstream ends for selectively connecting to respective reservoirs for transferring fluid from the reservoirs to the refrigerating / liquefying device, the installation comprising a first collecting conduit having an upstream end connected to the recovery lines and a downstream end connected to a receiving member capable of supplying the working circuit with working fluid.
  • the invention relates in particular to the production and distribution of liquid helium.
  • Helium a noble gas
  • the invention relates in particular to the production and distribution of liquid helium.
  • Helium a noble gas
  • the helium distribution generally requires a helium cooling at a temperature below 4.5 K (liquid state), then its transport and distribution in mobile tanks, for example on semi-trailers. These tanks, which can be isolated with nitrogen, should generally be kept at a temperature not exceeding 50 to 60 K. For this reason, it is not recommended to completely empty these tanks of their helium.
  • these tanks In practice, after delivery, these tanks "emptied" return to the filling stations at temperatures of the order of 150 K and more. Thus, when the tank returns after delivery of the customer and before filling it with helium, it must be cooled to 4.5 K because otherwise the liquid helium introduced would evaporate.
  • the cooling of the tanks is usually carried out in the filling stations by circulating (in loop) helium of the station through the tank to be cooled to thereby lower the temperature. Due to potential evaporation, it is sometimes necessary to purify this gas and re-liquefy it.
  • gaseous helium possibly produced during cooling may exceed the capacity of the helium liquefaction plants equipping the installation.
  • the "hot" gas returns from the tanks are returned to the refrigerator / liquefier at different levels in the refrigerator.
  • the refrigerator / liquefier For example, these recovered hot gases are re-injected at specific locations in the working circuit of the refrigeration / liquefaction device between the "cold" and “hot” ends, that is to say, at predetermined levels of temperature. helium in the working circuit.
  • the fluid of the different tanks is either sent into the system of recovery and purification of the installation (when it has impurities) or is collected in a common manifold before being injected into the working circuit of the system. liquefier / refrigerator (when the fluid is relatively pure).
  • This mixture of pure fluids collected in the various tanks concerned is sent into the working circuit at a pressure / temperature level corresponding to the temperature level of the fluid mixture.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the installation according to the invention is essentially characterized in that it comprises at least a second and a third collecting duct each having an upstream end connected to the recovery pipes and a downstream end connected to the working circuit, the downstream ends of the second and third collecting pipes being connected to specific determined positions of the working circuit respectively corresponding to different temperature levels of the working fluid; in the work circuit.
  • the Applicant has found a significant increase in the energy efficiency of the installation.
  • the vapors that come from the different tanks are not necessarily the same temperatures and their mixture results in an average temperature.
  • the differentiated recovery of "clean” (pure) vapors according to their temperature makes it possible to best use the cold energy conveyed by the recovered fluid.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • At least the downstream end of a collecting duct comprises a bypass so that the collector duct concerned is selectively connectable to at least two determined distinct positions of the working circuit corresponding respectively to different levels of working fluid temperature in the work circuit,
  • the recovery lines each comprise an upstream end connectable to a reservoir and a plurality of downstream ends connected in parallel to the upstream end, said downstream ends being respectively connected to the different collecting pipes, the downstream ends of the recovery pipes being provided with respective valves for distributing the reservoir fluid selectively to the collection line or lines,
  • the installation comprises a working fluid supply pipe having an upstream end connected to at least one source of fluid and a downstream end connected to the working circuit, the supply pipe comprising at least one purification element for enriching helium fluid from the source or sources to supply the circuit with a working fluid enriched in helium, the receiving member being disposed upstream of the purification member and constituting a source of fluid,
  • the installation comprises a liquid helium supply pipe having an upstream end connected to the working circuit and at least one downstream end selectively connected to at least one storage intended to selectively feed liquid helium to at least one tank,
  • the installation comprises a buffer tank selectively connected to the working circuit for storing working fluid, the buffer tank being further connected to a purge pipe selectively connectable to at least one reservoir.
  • the invention also relates to a process for producing liquid helium from an installation comprising a refrigeration / liquefaction device, the refrigeration / liquefaction device comprising a submitting work circuit.
  • a working fluid enriched in helium with a thermodynamic cycle to produce liquid helium the circuit comprising at least one working fluid compression member and a plurality of heat exchangers for cooling / heating the fluid to temperature levels determined at during the cycle
  • the installation comprising a plurality of recovery lines having respective upstream ends to be selectively connected to respective reservoirs for transferring fluid from the reservoirs to the circuit, the method comprising:
  • the fluids of the different reservoirs are transferred independently of one another into the working circuit at respective temperature levels determined according to the respective fluid temperatures in the reservoirs under consideration.
  • the installation comprising a working fluid supply pipe having an upstream end connected to at least one fluid source and a downstream end connected to the working circuit, the supply pipe comprising at least one purification element for enriching helium the fluid from the at least one source and supply the circuit with a working fluid enriched in helium, when the fluid of one or more tanks has a concentration of impurities greater than a threshold, the contents of the tanks concerned being transferred to a source, upstream of the purification member,
  • the contents of the reservoirs considered are transferred to a source, upstream of the purification member, and when the fluid of one or more reservoirs has a temperature above a first determined threshold, the contents of the tanks considered is transferred to at least a first position of the working circuit corresponding to the first temperature levels, when the fluid of one or more tanks has a temperature less than said first determined threshold, the contents of the reservoirs considered being transferred at the level of at least a second position of the working circuit corresponding to second temperature levels,
  • the contents of the reservoirs considered are transferred to a source, upstream of the purification member, and when the fluid of one or more several tanks has a temperature above a first determined threshold, the contents of the tanks considered is transferred to at least a first position of the working circuit corresponding to the first temperature levels, when the fluid of one or more tanks present a temperature below said first predetermined threshold, the contents of the reservoirs considered being transferred to at least a second position of the working circuit corresponding to second temperature levels,
  • the step of transferring the fluid contained in a tank (6) to the installation comprises at least one of:
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the liquid helium production facility shown in the figure conventionally comprises a refrigeration / liquefaction device 1, that is to say an apparatus capable of refrigerating and / or liquefying helium at very low temperature, by example up to 4 to 5 K or below.
  • a refrigeration / liquefaction device 1 that is to say an apparatus capable of refrigerating and / or liquefying helium at very low temperature, by example up to 4 to 5 K or below.
  • the refrigeration / liquefaction device 1 thus comprising a working circuit 2 subjecting a helium-enriched working fluid to a thermodynamic cycle to produce liquid helium.
  • the circuit 2 of work comprises at least one member 3 for compressing the working fluid such as compressors and several heat exchangers 4 for cooling / heating the fluid to temperature levels determined during the cycle.
  • the working circuit 2 may also conventionally comprise one or more fluid expansion members such as turbines (not shown for the sake of simplification).
  • the working fluid (usually helium) thus undergoes a cycle in the working circuit between a hot end (compression) and a cold end where it is liquefied (by expansion and cooling).
  • the installation comprises several lines 5 of fluid recovery.
  • Each fluid recovery line 5 comprises an upstream end intended to be connected selectively to a reservoir 6 or a fluid inlet.
  • the installation also comprises a first fluid-collecting pipe 7 having an upstream end connected to the recovery pipes 5 and a downstream end connected to a receiving member 8 capable of storing gas in order to feed the working circuit 2 with fluid job.
  • the installation comprises a second collecting duct 9 and a third collecting duct 10 each having an upstream end connected to the recovery ducts 5.
  • the downstream end of the second collecting duct 9 is connected to a determined position of the working circuit 2 corresponding respectively to a first determined temperature level of the working fluid in the working circuit 2.
  • the downstream end of the third collecting duct 10 is connected to a determined position of the working circuit 2 corresponding respectively to a second determined temperature level of the working fluid in the working circuit 2.
  • downstream end of the third collecting duct 10 is connected to the working circuit 2 at a relatively hotter location of the working circuit 2 than the downstream end of the second collecting duct 9.
  • the second 9 and third collecting ducts 10 are fluidly connected at different locations in the work cycle, i.e. at locations in the work circuit 2 where the working fluid has different thermodynamic conditions, especially in terms of temperature.
  • each tank 6 may be selectively connected to either the receiving member 8, the second collecting duct 9 or the third collecting duct 10.
  • each tank 6 can be connected, independently of the other tanks 6, to different levels of the working circuit 2 and in particular to a level of cycle temperature adapted to the fluid temperature of the tank 6. This is that is to say that when the fluid of the reservoir 6 is more or less "hot", it is fed back to more or less hot levels of the circuit 2 working to disturb as little as possible the performance of said circuit 2 work.
  • the downstream end of the second and third collecting ducts 9, 10 may comprise shunts 1 10, 109 so that each collecting duct 9, 10 concerned is selectively connectable to several distinct determined positions of the circuit 2 work. In this way, the installation makes it possible to multiply the injection possibilities in the working circuit 2 (and thus to multiply the temperature levels of the cycle).
  • the second and third collecting ducts 9, 10 may comprise respective dispensing valves.
  • the recovery lines 5 each comprise an upstream end connectable to a reservoir 6 and a plurality of downstream ends connected in parallel to the upstream end.
  • the downstream ends of each recovery pipe 5 are respectively connected to the different collecting pipes 7, 9, 10, for example via respective valves 11.
  • the working circuit 2 can be powered with a helium enriched working fluid via a working fluid supply pipe 13 having an upstream end connected to at least one fluid source 8, 14 and a connected downstream end. at work circuit 2.
  • the feed pipe 13 may comprise at least one purification member 12 for enriching helium fluid from the source or sources 8, 14.
  • a source 14 may include, for example, a power supply in treated natural gas.
  • Another source 8 may for example store the impure gas recovered from the tanks 6 via the first pipe 7 collector.
  • the gas from one or both sources 8, 14 can be compressed (compressors 21) and then purified in the purification member 12 (for example of the adsorption type) to supply the operating circuit 2 with helium.
  • the installation may comprise a buffer tank 17 connected selectively to the circuit 2 of work to store working fluid from the compressor station (hot end of the circuit 2 work ).
  • This buffer tank 17 is connected to a pipe 1 17 purge selectively connectable to at least one tank 6 (in the figure the first tank left being in purge).
  • the installation may also include a pipe 16 for supplying liquid helium having an upstream end connected to the end 2.
  • the liquid stores 15 are intended to supply liquid helium or the tanks 6.
  • the third tank 6 (from left to right) is schematically represented in a cooling situation: a helium circulation is made from a storage 15 to the tank 6 and then this helium is reinjected into the working circuit via the third collecting pipe 10 ( at a relatively "hot" temperature, see arrows with solid lines).
  • the fourth tank 6 (from left to right) is schematically represented in a filling situation: a helium circulation loop is made from the working circuit 2 to the storage 15 and then to the tank 6 (see the arrows with solid lines). The excess helium of the tank 6 is fed back into the working circuit via the second collecting ducts 9 (at a relatively "cold" temperature level).
  • the second tank 6 (from left to right) is schematically shown in the gas transfer situation from the tank 6 to the source 8 via the first pipe 7 collector (see the arrows with solid lines).
  • the installation according to the invention thus makes it possible to connect the vapors contained in the "empty" tanks 6 selectively and independently to three collecting pipes:
  • the second 9 for directing the relatively cold pure vapors in a relatively cold zone of the working circuit 2 with a view to the re-liquefaction of these vapors
  • the third 10 for directing the relatively hot pure vapors in a relatively hot zone of the working circuit 2 for the re-liquefaction of these vapors.
  • This distribution of vapors is carried out according to the nature and in particular the temperature of the vapors contained in each of the tanks 6.
  • the Applicant has found that by independently treating the various contents of the tanks 6 (without mixing between the contents of tanks 6 at different temperatures before injection into the circuit 2 working), optimizes the recovery of frigories vapors in the refrigeration / liquefaction device. This improves the efficiency of the latter and especially its performance with respect to its energy consumption.
  • the invention is not limited to the example described above.
  • the number of recovery lines that can be connected to tanks 6 is not limited to four but may be less than or greater than four.
  • the number of manifolds may be smaller or larger than the number of lines 7, 9, 10 described above.
  • the vapors recovered from the tanks can come from stationary applications that use liquid helium for cooling (for example for cooling superconducting cables).
  • one or more movable reservoirs 6 of the figure are replaced by a fluid connection which brings back heat-exchanged helium with an application to be cooled.

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Description

Installation et procédé de production d'hélium liquide
La présente invention concerne une installation et un procédé de production d'hélium.
L'invention concerne plus particulièrement une installation de production d'hélium liquide comportant un dispositif de réfrigération/liquéfaction, le dispositif de réfrigération/liquéfaction comprenant un circuit de travail soumettant un fluide de travail enrichi en hélium à un cycle thermodynamique pour produire de l'hélium liquide, le circuit comprenant au moins un organe de compression du fluide de travail et plusieurs échangeurs de chaleur pour refroidir/réchauffer le fluide à des niveaux de température déterminés au cours du cycle, l'installation comprenant plusieurs conduites de récupération de fluide ayant des extrémités amont respectives destinées à être raccordées sélectivement à des réservoirs respectifs pour transférer du fluide des réservoirs vers le dispositif de réfrigération/liquéfaction, l'installation comprenant une première conduite collectrice ayant une extrémité amont reliée aux conduites de récupération et une extrémité aval reliée à un organe récepteur susceptible d'alimenter le circuit de travail en fluide de travail.
L'invention concerne notamment la production et la distribution d'hélium liquide. L'hélium, gaz noble, s'obtient généralement à partir de gaz naturel dans des installations où le gaz naturel est purifié (enrichi en hélium) puis liquéfié dans un dispositif réfrigérateur et/ou liquéfacteur.
La distribution d'hélium nécessite généralement un refroidissement de l'hélium à une température inférieure à 4,5 K (état liquide), puis son transport et sa distribution dans des réservoirs mobiles, par exemple sur des semi-remorques. Ces réservoirs, qui peuvent être isolés à l'azote, doivent généralement être maintenus à une température ne dépassant pas 50 a 60 K. Pour cette raison, il n'est pas recommandé de vider complètement ces réservoirs de leur hélium.
En pratique, après livraison, ces réservoirs « vidés » reviennent aux stations de remplissage à des températures de l'ordre de 150 K et plus. Ainsi, lorsque le réservoir revient après livraison du client et avant de le remplir avec de l'hélium, il faut le refroidir à 4,5 K car sinon l'hélium liquide introduit s'évaporerait.
Généralement, le contenu restant dans ces réservoirs est réinjecté dans l'installation de production d'hélium pour éviter des pertes de ce gaz coûteux.
Le refroidissement des réservoirs est réalisé habituellement dans les stations de remplissage en faisant circuler (en boucle) de l'hélium de la station à travers le réservoir à refroidir pour ainsi en abaisser la température. Du fait des évaporations potentielles, il est parfois nécessaire de purifier ce gaz et de le re-liquéfier.
Cette récupération de gaz relativement chaud, sa purification éventuelle et sa liquéfaction nécessitent de grandes consommations énergétiques.
En outre, l'hélium gazeux éventuellement produit pendant le refroidissement peut dépasser la capacité des installations de liquéfaction d'hélium équipant l'installation.
Pour certains liquéfacteurs et/ou réfrigérateurs hélium, les retours de gaz « chauds » des réservoirs (c'est-à-dire à une température supérieure à la température de production nominale de liquide) sont renvoyés dans le réfrigérateur/liquéfacteur à différents niveaux dans le réfrigérateur/liquéfacteur. Par exemple, ces gaz chauds récupérés sont réinjectés à des endroits déterminés dans le circuit de travail du dispositif de réfrigération/liquéfaction entre les extrémités « froide » et «chaude », c'est-à-dire à des niveaux déterminés de températures de l'hélium dans le circuit de travail.
De plus, lorsque le fluide contenu dans les réservoirs présente un taux d'impuretés important il est nécessaire de le purifier au préalable dans système de récupération et d'épuration de l'installation.
Ainsi, le fluide des différents réservoirs est soit envoyé dans le système de récupération et d'épuration de l'installation (lorsqu'il présente des impuretés), soit est collecté dans un collecteur commun avant d'être injecté dans le circuit de travail du liquéfacteur/réfrigérateur (lorsque le fluide est relativement pur). Ce mélange de fluides purs collectés dans les différents réservoirs concernés est envoyé dans le circuit de travail à un niveau de pression/température correspondant au niveau de température du mélange de fluides.
Ces procédés connus nécessitent des consommations énergétiques importantes pour assurer la production d'hélium liquide tout en récupérant les fluides plus ou moins chauds provenant des réservoirs vides.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, l'installation selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée en ce que qu'elle comprend au moins une seconde et une troisième conduites collectrices ayant chacune une extrémité amont reliée aux conduites de récupération et une extrémité aval reliée au circuit de travail, les extrémités aval des seconde et troisième conduites collectrices étant raccordées à des positions distinctes déterminées du circuit de travail correspondants respectivement à des niveaux de température distincts du fluide de travail dans le circuit de travail. De cette façon, en supprimant le mélange des fluides purs avant injection dans le circuit de travail du réfrigérateur/liquéfacteur, la demanderesse a constaté une augmentation significative de l'efficacité énergétique de l'installation.
En effet, les vapeurs qui reviennent des différents réservoirs ne sont pas forcement aux mêmes températures et leur mélange aboutit à une température moyenne. La récupération différenciée des vapeurs « propres » (pures) selon leur température permet d'utiliser au mieux l'énergie froide véhiculée par le fluide récupéré.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- au moins l'extrémité aval de l'une conduites collectrices comprend une dérivation de sorte que la conduite collectrice concernée est sélectivement raccordable à au moins deux positions distinctes déterminées du circuit de travail correspondant respectivement à des niveaux distincts de température du fluide de travail dans le circuit de travail,
- les conduites de récupération comportent chacune une extrémité amont raccordable à un réservoir et une pluralité d'extrémité aval reliées en parallèle à l'extrémité amont, lesdites extrémités aval étant raccordées respectivement aux différentes conduites collectrices, les extrémités aval des conduites de récupération étant munies de vannes respectives pour distribuer le fluide du réservoir sélectivement vers la ou les conduites collectrices,
- l'installation comporte une conduite d'alimentation en fluide de travail ayant une extrémité amont raccordée à au moins une source de fluide et une extrémité aval raccordée au circuit de travail, la conduite d'alimentation comportant au moins un organe de purification pour enrichir en hélium le fluide provenant de la ou des sources, pour alimenter le circuit avec un fluide de travail enrichi en hélium, l'organe récepteur étant disposé en amont de l'organe de purification et constituant une source de fluide,
- l'installation comporte une conduite de fourniture d'hélium liquide ayant une extrémité amont reliée au circuit de travail et au moins une extrémité aval reliée sélectivement à au moins un stockage destiné à alimenter en hélium liquide sélectivement au moins un réservoir,
- l'installation comporte un réservoir tampon raccordé sélectivement au circuit de travail pour stocker du fluide de travail, le réservoir tampon étant raccordé en outre à une conduite de purge sélectivement connectable à au moins un réservoir.
L'invention concerne également un procédé de production d'hélium liquide à partir d'une installation comportant un dispositif de réfrigération/liquéfaction, le dispositif de réfrigération/liquéfaction comprenant un circuit de travail soumettant un fluide de travail enrichi en hélium à un cycle thermodynamique pour produire de l'hélium liquide, le circuit comprenant au moins un organe de compression du fluide de travail et plusieurs échangeurs de chaleur pour refroidir/réchauffer le fluide à des niveaux de température déterminés au cours du cycle, l'installation comprenant plusieurs conduites de récupération ayant des extrémités amont respectives destinées à être raccordées sélectivement à des réservoirs respectifs pour transférer du fluide des réservoirs vers le circuit, le procédé comportant :
- une étape de raccordement de plusieurs réservoirs au niveau des extrémités amont de conduites de récupération respectives,
- une étape de transfert du fluide contenu dans les réservoirs vers de dispositif de réfrigération/liquéfaction, le procédé étant caractérisé en ce que :
les fluides des différents réservoirs sont transférés indépendamment les uns des autres dans le circuit de travail à des niveaux de température respectifs déterminés en fonction des température respectives du fluide dans les réservoirs considérés.
Selon d'autres particularités possibles:
- l'installation comportant une conduite d'alimentation en fluide de travail ayant une extrémité amont raccordée à au moins une source de fluide et une extrémité aval raccordée au circuit de travail, la conduite d'alimentation comportant au moins un organe de purification pour enrichir en hélium le fluide provenant de la au moins une source et alimenter le circuit avec un fluide de travail enrichi en hélium, lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une concentration d'impuretés supérieure à un seuil, le contenu des réservoirs concernés étant transféré à une source, en amont de l'organe de purification,
- lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une concentration en hélium inférieure à un seuil, le contenu des réservoirs considérés est transféré à une source, en amont de l'organe de purification, et lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une température supérieure à un premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs considérés est transféré au niveau d'au moins une première position du circuit de travail correspondant à des premiers niveaux de température, lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une température inférieure audit premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs considérés étant transféré au niveau d'au moins une seconde position du circuit de travail correspondant à des seconds niveaux de température,
- lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une concentration en hélium inférieure à un seuil, le contenu des réservoirs considérés est transféré à une source, en amont de l'organe de purification, et lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une température supérieure à un premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs considérés est transféré au niveau d'au moins une première position du circuit de travail correspondant à des premiers niveaux de température, lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs présente une température inférieure audit premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs considérés étant transféré au niveau d'au moins une seconde position du circuit de travail correspondant à des seconds niveaux de température,
- l'étape de transfert du fluide contenu dans un réservoir (6) vers l'installation comprend au moins l'une parmi :
-une étape de dépressurisation du réservoir par transfert du gaz sous pression contenu dans le réservoir vers l'installation,
- une étape de refroidissement du contenu dudit réservoir par circulation d'hélium provenant du dispositif de réfrigération/liquéfaction vers le réservoir et puis retour de cet hélium vers le dispositif de réfrigération/liquéfaction,
- une étape de remplissage du réservoir refroidi avec de l'hélium provenant du dispositif de réfrigération/liquéfaction.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou tout procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci- dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'une installation selon un exemple de réalisation de l'invention.
L'installation de production d'hélium liquide représentée à la figure comporte classiquement un dispositif de réfrigération/liquéfaction 1 , c'est-à-dire un appareil susceptible de réfrigérer et/ou de liquéfier de l'hélium à très basse température, par exemple jusqu'à 4 à 5 K ou en dessous.
Le dispositif de réfrigération/liquéfaction 1 comprenant ainsi un circuit 2 de travail soumettant un fluide de travail enrichi en hélium à un cycle thermodynamique pour produire de l'hélium liquide. A cet effet, le circuit 2 de travail comprend au moins un organe 3 de compression du fluide de travail tel que des compresseurs et plusieurs échangeurs 4 de chaleur pour refroidir/réchauffer le fluide à des niveaux de température déterminés au cours du cycle.
Le circuit 2 de travail peut comprendre également classiquement un ou plusieurs organes de détente du fluide tel que des turbines (non représentées par soucis de simplification). Le fluide de travail (généralement de l'hélium) subit ainsi un cycle dans le circuit de travail entre une extrémité chaude (compression) et une extrémité froide où il est liquéfié (par détente et refroidissement).
Pour récupérer le fluide restant dans les réservoirs 6 de retour de livraison, l'installation comprend plusieurs conduites 5 de récupération de fluide.
Chaque conduite 5 de récupération de fluide comporte une extrémité amont destinée à être raccordée sélectivement à un réservoir 6 ou une arrivée de fluide.
L'installation comprend également une première conduite 7 collectrice de fluide ayant une extrémité amont reliée aux conduites 5 de récupération et une extrémité aval reliée à un organe 8 récepteur susceptible de stocker du gaz en vue d'alimenter le circuit 2 de travail en fluide de travail.
L'installation comprend une seconde conduite collectrice 9 et une troisième conduite collectrice 10 ayant chacune une extrémité amont reliée aux conduites 5 de récupération.
L'extrémité aval de la seconde conduite collectrice 9 est raccordée à une position déterminée du circuit 2 de travail correspondant respectivement à un premier niveau de température déterminé du fluide de travail dans le circuit 2 de travail.
L'extrémité aval de la troisième conduite collectrice 10 est raccordée à une position déterminée du circuit 2 de travail correspondant respectivement à un second niveau de température déterminé du fluide de travail dans le circuit 2 de travail.
Par exemple, l'extrémité aval de la troisième conduite collectrice 10 est raccordée au circuit 2 de travail à un endroit relativement plus chaud du circuit 2 de travail que l'extrémité aval de la seconde conduite collectrice 9.
C'est-à-dire que les seconde 9 et une troisième conduites collectrices 10 sont raccordées fluidiquement à des endroits distincts du cycle de travail, c'est-à- dire à des endroits du circuit 2 travail où le fluide de travail présente des conditions thermodynamiques différentes, notamment en terme de température.
Le contenu de chaque réservoir 6 peut être raccordé sélectivement soit à l'organe 8 récepteur, soit à la seconde 9 conduite collectrice soit à la troisième conduites collectrices 10.
Ainsi, le contenu de chaque réservoir 6 peut être raccordé, indépendamment des autres réservoirs 6, à des niveaux distincts du circuit 2 de travail et en particulier à un niveau de température de cycle adapté à la température du fluide du réservoir 6. C'est-à-dire que lorsque le fluide du réservoir 6 est plus ou moins « chaud », il est réinjecté à des niveaux plus ou moins chaud du circuit 2 de travail pour perturber le moins possible le rendement dudit circuit 2 de travail. Comme représenté, l'extrémité aval des seconde et troisième conduites collectrices 9, 10 peuvent comporter des dérivations 1 10, 109 de sorte que chaque conduite collectrice 9, 10 concernée est sélectivement raccordable à plusieurs positions distinctes déterminées du circuit 2 de travail. De cette façon, l'installation permet de multiplier les possibilités d'injection dans le circuit 2 de travail (et donc multiplier les niveaux de température du cycle). A cet effet, les seconde et troisième conduites collectrices 9, 10 peuvent comporter des vannes de distribution respectives.
De même, les conduites 5 de récupération comportent chacune une extrémité amont raccordable à un réservoir 6 et une pluralité d'extrémités aval reliées en parallèle à l'extrémité amont. Les extrémités aval de chaque conduite 5 de récupération sont raccordées respectivement aux différentes conduites collectrices 7, 9, 10 par exemple via des vannes 1 1 respectives.
Comme représenté, le circuit 2 de travail peut être alimenté avec un fluide de travail enrichi en hélium via une conduite 13 d'alimentation en fluide de travail ayant une extrémité amont raccordée à au moins une source 8, 14 de fluide et une extrémité aval raccordée au circuit 2 de travail. En aval des sources 8, 14, la conduite 13 d'alimentation peut comporter au moins un organe 12 de purification pour enrichir en hélium le fluide provenant de la ou des sources 8, 14. Une source 14 peut comprendre, par exemple, une alimentation en gaz naturel traité. Une autre source 8 peut par exemple stocker le gaz impur récupéré des réservoirs 6 via la première conduite 7 collectrice. Le gaz provenant du l'une ou des deux sources 8, 14 peut être comprimé (compresseurs 21 ) puis purifié dans l'organe 12 de purification (par exemple du type à adsorption) pour alimenter en hélium le circuit 2 de travail.
Pour assurer la purge préalable des réservoirs 6 avant leur refroidissement et remplissage, l'installation peut comporter un réservoir 17 tampon raccordé sélectivement au circuit 2 de travail pour stocker du fluide de travail provenant de la station de compression (extrémité chaude du circuit 2 de travail). Ce réservoir 17 tampon est relié à une conduite 1 17 de purge sélectivement connectable à au moins un réservoir 6 (sur la figure le premier réservoir de gauche étant en situation de purge).
Pour assurer le refroidissement et le remplissage des réservoirs 6 avec de l'hélium liquide froid (4 à 5 K par exemple), l'installation peut également comporter une conduite 16 de fourniture d'hélium liquide ayant une extrémité amont reliée à l'extrémité froide du circuit 2 de travail et au moins une extrémité aval reliée sélectivement à au moins un stockage 15. Les stockages 15 de liquide sont destinés à alimenter en hélium liquide le ou les réservoirs 6. Sur la figure, le troisième réservoir 6 (de gauche à droite) est représenté schématiquement en situation de refroidissement : une circulation d'hélium est réalisée d'un stockage 15 vers le réservoir 6 puis cet hélium est réinjecté dans le circuit de travail via la troisième conduites collectrices 10 (à un niveau de température relativement « chaud », cf. les flèches avec traits pleins).
Sur la figure, le quatrième réservoir 6 (de gauche à droite) est représenté schématiquement en situation de remplissage : une boucle de circulation d'hélium est réalisée du circuit 2 de travail vers le stockage 15 puis vers le réservoir 6 (cf. les flèches avec traits pleins). L'hélium excédentaire du réservoir 6 est réinjecté dans le circuit de travail via la seconde conduites collectrices 9 (à un niveau de température relativement « froid »).
Sur la figure, le second réservoir 6 (de gauche à droite) est représenté schématiquement en situation de transfert du gaz depuis le réservoir 6 vers la source 8 via la première conduite 7 collectrice (cf. les flèches avec traits pleins).
L'installation selon l'invention permet ainsi de relier les vapeurs contenues dans les réservoirs 6 « vides » sélectivement et indépendamment à trois conduites collectrices :
la première 7 pour diriger les vapeurs impures et relativement chaudes en amont de l'organe 12 de purification,
- la seconde 9 pour diriger les vapeurs pures relativement froides dans une zone relativement froide du circuit 2 de travail en vue de la re-liquéfaction de ces vapeurs,
la troisième 10 pour diriger les vapeurs pures relativement chaudes dans une zone relativement chaude du circuit 2 de travail en vue de la re-liquéfaction de ces vapeurs.
Cette répartition des vapeurs est réalisée en fonction de la nature et notamment de la température des vapeurs contenues dans chacun des réservoirs 6.
La demanderesse a constaté qu'en traitant indépendamment les divers contenus des réservoirs 6 (sans mélange entre les contenus de réservoirs 6 à des températures distinctes avant injection dans le circuit 2 de travail), permet d'optimiser les récupérations de frigories des vapeurs dans le dispositif de réfrigération/liquéfaction. Ceci améliore l'efficacité de ce dernier et notamment son rendement au regard de sa consommation énergétique.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit ci-dessus. Ainsi, par exemple, le nombre conduites 5 de récupération pouvant être reliées à des réservoirs 6 n'est pas limité à quatre mais peut être inférieur ou supérieur à quatre. De même, le nombre de conduites collectrices peut être inférieur ou supérieur au nombre de conduites 7, 9, 10 décrit ci-dessus.
De même, les vapeurs récupérés des réservoirs peuvent provenir d'applications stationnaires qui utilisent de l'hélium liquide pour un refroidissement (par exemple pour le refroidissement de câbles supraconducteurs). Dans ce cas, un ou des réservoirs 6 mobiles de la figure sont remplacés par une liaison fluidique qui ramène de l'hélium ayant échangé thermiquement avec une application à refroidir.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Installation de production d'hélium liquide comportant un dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ), le dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ) comprenant un circuit (2) de travail soumettant un fluide de travail enrichi en hélium à un cycle thermodynamique pour produire de l'hélium liquide, le circuit (2) comprenant au moins un organe (3) de compression du fluide de travail et plusieurs échangeurs (4) de chaleur pour refroidir/réchauffer le fluide à des niveaux de température déterminés au cours du cycle, l'installation comprenant plusieurs conduites (5) de récupération de fluide ayant des extrémités amont respectives sélectivement raccordables à des réservoirs (6) respectifs mobiles, notamment sur des semi-remorques, pour transférer du fluide des réservoirs (6) vers le dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ) de sorte que le circuit (2) de travail est du type ouvert et accueille sélectivement du fluide extérieur au circuit au niveau des conduites (5) de récupération, l'installation comprenant une première conduite (7) collectrice ayant une extrémité amont reliée aux conduites (5) de récupération et une extrémité aval reliée à un organe (8) récepteur susceptible d'alimenter le circuit (2) de travail en fluide de travail, l'installation étant caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une seconde (9) et une troisième (10) conduites collectrices ayant chacune une extrémité amont reliée aux conduites (5) de récupération et une extrémité aval reliée au circuit (2) de travail, les extrémités aval des seconde (9) et troisième (10) conduites collectrices étant raccordées à des positions distinctes déterminées du circuit (2) de travail correspondants respectivement à des niveaux de température distincts du fluide de travail dans le circuit (2) de travail.
2. Installation selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'au moins l'extrémité aval de l'une conduites collectrices (9, 10) comprend une dérivation (1 10, 109) de sorte que la conduite collectrice (9, 10) concernée est sélectivement raccordable à au moins deux positions distinctes déterminées du circuit (2) de travail correspondant respectivement à des niveaux distincts de température du fluide de travail dans le circuit (2) de travail.
3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les conduites (5) de récupération comportent chacune une extrémité amont raccordable à un réservoir (6) et une pluralité d'extrémité aval reliées en parallèle à l'extrémité amont, lesdites extrémités aval étant raccordées respectivement aux différentes conduites collectrices (7, 9, 10), les extrémités aval des conduites (5) de récupération étant munies de vannes (1 1 ) respectives pour distribuer le fluide du réservoir (6) sélectivement vers la ou les conduites collectrices (7, 9, 10).
4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (13) d'alimentation en fluide de travail ayant une extrémité amont raccordée à au moins une source (8, 14) de fluide et une extrémité aval raccordée au circuit (2) de travail, la conduite (13) d'alimentation comportant au moins un organe (12) de purification pour enrichir en hélium le fluide provenant de la ou des sources (8, 14), pour alimenter le circuit (2) avec un fluide de travail enrichi en hélium, l'organe (8) récepteur étant disposé en amont de l'organe (12) de purification et constituant une source de fluide.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (16) de fourniture d'hélium liquide ayant une extrémité amont reliée au circuit (2) de travail et au moins une extrémité aval reliée sélectivement à au moins un stockage (15) destiné à alimenter en hélium liquide sélectivement au moins un réservoir (6).
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un réservoir (17) tampon raccordé sélectivement au circuit (2) de travail pour stocker du fluide de travail, le réservoir (17) tampon étant raccordé en outre à une conduite (1 17) de purge sélectivement connectable à au moins un réservoir (6).
7. Procédé de production d'hélium liquide à partir d'une installation comportant un dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ), le dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ) comprenant un circuit (2) de travail soumettant un fluide de travail enrichi en hélium à un cycle thermodynamique pour produire de l'hélium liquide, le circuit (2) comprenant au moins un organe (3) de compression du fluide de travail et plusieurs échangeurs (4) de chaleur pour refroidir/réchauffer le fluide à des niveaux de température déterminés au cours du cycle, l'installation comprenant plusieurs conduites (5) de récupération ayant des extrémités amont respectives sélectivement raccordables à des réservoirs (6) respectifs mobiles, notamment sur des semi-remorques, pour transférer du fluide des réservoirs (6) vers le circuit (2) de sorte que le circuit (2) de travail est du type ouvert et accueille sélectivement du fluide extérieur au circuit au niveau des conduites (5) de récupération, le procédé comportant :
- une étape de raccordement de plusieurs réservoirs (6) au niveau des extrémités amont de conduites (5) de récupération respectives, - une étape de transfert du fluide contenu dans les réservoirs (6) vers de dispositif de réfrigération/liquéfaction, le procédé étant caractérisé en ce que :
- les fluides des différents réservoirs (6) sont transférés indépendamment les uns des autres dans le circuit (2) de travail à des niveaux de température respectifs déterminés en fonction des température respectives du fluide dans les réservoirs (6) considérés.
8. Procédé selon la revendication 7, l'installation comportant une conduite (13) d'alimentation en fluide de travail ayant une extrémité amont raccordée à au moins une source (8, 14) de fluide et une extrémité aval raccordée au circuit (2) de travail, la conduite (13) d'alimentation comportant au moins un organe (12) de purification pour enrichir en hélium le fluide provenant de la au moins une source (8, 14) et alimenter le circuit (2) avec un fluide de travail enrichi en hélium, le procédé étant caractérisé en ce que, lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs (6) présente une concentration d'impuretés supérieure à un seuil, le contenu des réservoirs (6) concernés est transféré à une source (8), en amont de l'organe (12) de purification.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs (6) présente une concentration en hélium inférieure à un seuil, le contenu des réservoirs (6) considérés est transféré à une source (8), en amont de l'organe (12) de purification, et lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs (6) présente une température supérieure à un premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs (6) considérés est transféré au niveau d'au moins une première position du circuit (2) de travail correspondant à des premiers niveaux de température, et en ce que lorsque le fluide d'un ou plusieurs réservoirs (6) présente une température inférieure audit premier seuil déterminé, le contenu des réservoirs (6) considérés est transféré au niveau d'au moins une seconde position du circuit (2) de travail correspondant à des seconds niveaux de température.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'étape de transfert du fluide contenu dans un réservoir (6) vers l'installation comprend au moins l'une parmi :
- une étape de dépressurisation du réservoir (6) par transfert du gaz sous pression contenu dans le réservoir (6) vers l'installation,
- une étape de refroidissement du contenu dudit réservoir (6) par circulation d'hélium provenant du dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ) vers le réservoir (6) et puis retour de cet hélium vers le dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ) - une étape de remplissage du réservoir (6) refroidi avec de l'hélium provenant du dispositif de réfrigération/liquéfaction (1 ).
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