EP2941602B1 - Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant - Google Patents

Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant Download PDF

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EP2941602B1
EP2941602B1 EP13803118.2A EP13803118A EP2941602B1 EP 2941602 B1 EP2941602 B1 EP 2941602B1 EP 13803118 A EP13803118 A EP 13803118A EP 2941602 B1 EP2941602 B1 EP 2941602B1
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EP
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heat exchanger
working gas
cooling
working
exchanger
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Jean-Marc Bernhardt
Fabien Durand
Vincent Heloin
Pierre BARJHOUX
Gilles FLAVIEN
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F25J2270/912—Liquefaction cycle of a low-boiling (feed) gas in a cryocooler, i.e. in a closed-loop refrigerator

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration and / or liquefaction device and a corresponding method.
  • the invention particularly relates to helium refrigerators / liquefiers generating very low temperatures (for example 4.5K in the case of helium) in order to continuously cool users such as superconducting cables or devices of a device of plasma generation ("TOKAMAK").
  • refrigeration / liquefaction device is meant in particular refrigeration devices and / or liquefaction devices at very low temperatures (cryogenic temperatures) cooling and liquefying where appropriate a low molecular weight gas such as helium.
  • the refrigeration / liquefaction device is generally unsuitable for such cooling.
  • the device comprises an auxiliary pre-cooling system which provides frigories during this cold setting.
  • the pre-cooling system generally comprises a liquid nitrogen capacity (at constant temperature, eg 80K) which supplies working gas frigories via at least one heat exchanger.
  • FR 2 919 713 discloses a refrigeration device according to the preamble of claim 1.
  • fluid mixtures are required between 80K helium and warmer helium (at room temperature or at the return temperature of the user to be cooled).
  • Heat exchangers adapted for this normal operation include plate type aluminum exchangers with brazed fins. This type of exchanger can not typically accept temperature differences between fluids with a countercurrent of more than 50 K.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the third heat exchanger is connected both in series and in parallel. at the first and second heat exchangers, that is, the working gas leaving the first and / or the second heat exchanger is selectively admitted into the third heat exchanger, the working circuit comprising a heat pipe; recovery device provided with at least one valve and which connects the outlet of the third heat exchanger to the second heat exchanger, to selectively allow the transfer of frigories of the working gas leaving the third heat exchanger to the second heat exchanger.
  • the invention also relates to a method of cooling a user using a refrigerating and / or liquefying apparatus of a working gas according to any one of the above or the following features, wherein, user is cooled via the heat exchange system, the method comprising a user pre-cooling step having an initial temperature of between 120K and 400K in which the working gas leaving the compression station is cooled by heat exchange in the first heat exchanger and then in the second heat exchanger and then in the third heat exchanger, the cooled working gas leaving the third exchanger being admitted again at least partly in upstream in the second heat exchanger to give away frigories.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the installation 100 may comprise, conventionally, a refrigeration / liquefaction device comprising a working circuit submitting helium to a work cycle to produce cold.
  • the working circuit of the refrigeration device 2 comprises a compression station 1 provided with at least one compressor 5 and preferably several compressors which provide a compression of the helium.
  • the helium enters a cold box 2 for the cooling of the helium.
  • the cold box 2 includes a plurality of heat exchangers which heat exchange with helium to cool the helium.
  • the cold box 2 comprises one or more turbines 7 to relax the compressed helium.
  • the cold box 2 operates according to a Brayton type thermodynamic cycle or any other appropriate cycle.
  • At least a portion of the helium is liquefied at the outlet of the cold box 2 and enters a heat exchange system 14 provided to ensure a selective heat exchange between the liquid helium and a user 10 to cool.
  • the user 10 comprises, for example, a magnetic field generator obtained using a superconducting magnet and / or one or more pumping units. by cryo-condensation or any other organ requiring cooling at a very low temperature.
  • the device further comprises, in a manner known per se, an additional pre-cooling system of the working gas at the outlet of the compression station 2.
  • the pre-cooling system comprises a capacity 3 of auxiliary cryogenic fluid such as liquid nitrogen.
  • the capacitor 3 is connected to the working circuit via at least one heat exchanger for selectively transferring frigories of the auxiliary fluid to the working gas.
  • the capacity 3 can be supplied with auxiliary fluid via a supply line 13 connected to a source of auxiliary fluid (not shown) and provided with a valve 23 (cf. figure 3 ).
  • the compression station 1 comprises two compressors 11, 12 in series defining for example three pressure levels for helium.
  • the compression station 2 may also include helium purification organs 8.
  • the helium is admitted into a cold box 2 in which this helium is cooled by heat exchange with several exchangers 5 and in which it is expanded in turbines 7.
  • the liquefied helium in the cold box 2 can be stored in a reserve 14 provided with an exchanger 144 for heat exchange with the user 10 to cool (for example via a circuit provided with a pump).
  • This heat exchange system 14 between the helium and the user 10 may comprise any other appropriate structure.
  • the low-pressure helium that has passed through the heat exchange system 14 is sent back to the compression station 1 via a return line 9 in order to restart a work cycle. During this return, the relatively cold helium transfers heat to the heat exchangers and in this way cools the relatively hot helium which is cooled and expanded in the opposite direction before reaching the user 10.
  • the working circuit may comprise a return line 19 returning to the station 1 for compressing the helium of the cold box 2 that has not passed through the heat exchange system 14.
  • the device comprises a pre-cooling system comprising a capacity 13 of auxiliary cryogenic fluid such as liquid nitrogen at a temperature of 80K for example.
  • auxiliary cryogenic fluid such as liquid nitrogen at a temperature of 80K for example.
  • the cold box 2 comprises a first helium cooling stage which receives the helium as soon as it leaves the compression station 1.
  • This first cooling stage comprises a first heat exchanger and a second heat exchanger connected both in series and in parallel to the working circuit at the output of the compression station 1. That is, the working gas leaving the compression station 2 can be selectively admitted into the first and / or second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is for example of the heat exchange type between different streams of helium at different respective temperatures.
  • the first heat exchanger may comprise a first fed passage 6 in high-pressure hot working gas coming directly from the compression station 1, a second countercurrent passage of the first passage and supplied by the gas return pipe 9 working said cold and low pressure and a third passage against the current of the first passage and fed medium pressure working gas via a return line 19.
  • the second heat exchanger is of the heat exchange type between the working gas and the auxiliary gas and comprises, for example, a first feed gas passage 16 of working gas from the first heat exchanger and / or directly from the can. 2, a second passage, countercurrent to the first passage and provided for vaporized auxiliary gas, and a third passage supplied with working gas via the pipe 125 recovery.
  • the first cooling stage also comprises a third heat exchanger 25.
  • This third heat exchanger is connected at the same time in series and in parallel with the first 5 and the second 15 heat exchanger. That is, the working gas exiting the first and / or second heat exchanger is selectively admitted into the third heat exchanger. As illustrated for example in more detail at figure 3 this is achieved by connecting a fluid inlet of the third heat exchanger to two fluid outlets belonging respectively to the first and second exchangers 15.
  • the working circuit comprises a recovery line 125 which selectively connects the outlet of the third heat exchanger 25 to the second heat exchanger, for selectively permitting the transfer of frigories from the working gas exiting the third heat exchanger 25 to the second heat exchanger 15.
  • the working circuit comprises a limited portion subdivided into two parallel lines, one of the two lines constitutes the recovery line 125.
  • This circuit portion may comprise a set of valve (s) 225, 44 to ensure a selective distribution of helium between the two parallel lines (cf. figure 3 ).
  • recovery line 125 after its transit through the third heat exchanger 25, is connected downstream to the working circuit of the cold box 2 in order to continue the cooling of the working gas.
  • the third heat exchanger is selectively supplied with auxiliary fluid (nitrogen, for example).
  • auxiliary fluid nitrogen, for example.
  • the third heat exchanger 25 is a heat exchanger remote from the capacitor 3 and selectively supplied with auxiliary fluid via a circuit comprising at least one supply line 13. This makes it possible to selectively transfer frigories of the auxiliary fluid to the helium within the third heat exchanger.
  • the device preferably comprises a pipe 225 for evacuating the vaporized auxiliary gas connecting an upper end of the capacitor 3 to a remote recovery system via a passage in the second heat exchanger. This allows selectively transferring frigories of the vaporized auxiliary gaseous fluid to the working gas passing through the second heat exchanger.
  • the figure 3 illustrates an alternative embodiment of the first cooling stage of the device.
  • the embodiment of the figure 3 is different from that of figure 2 only in that the third heat exchanger 25 is this time immersed in the auxiliary fluid capacity.
  • the Figures 4 to 6 are three distinct configurations that can be used in a succession of an example of possible operation of the device.
  • a first phase of cooling a user illustrated in the figure 4 the helium from the compression station 1 is sequentially cooled in series in the first 5, second 15 and third 25 heat exchangers (valves 116 and 126 closed, valve 136 open).
  • the cooled helium returns to pass through the second heat exchanger via the recovery line 125 (valves 225 and 44 open).
  • the auxiliary fluid (nitrogen) at a temperature of about 80 K is allowed to circulate in the second heat exchanger (it comes out for example at a temperature of about 270 K).
  • a second cooling phase of the user having a temperature of 200K can comprise the same configuration as that of the figure 4 .
  • the auxiliary fluid (nitrogen) at a temperature of about 80 K is allowed to circulate in the second heat exchanger and comes out, for example, at a temperature of about 190 K.
  • a third cooling phase of the user having a temperature of 140K can comprise the same configuration as that of the figure 4 .
  • auxiliary fluid nitrogen
  • the second heat exchanger the auxiliary fluid (nitrogen) at a temperature of about 80 K is allowed to circulate in the second heat exchanger and it emerges, for example, at a temperature of about 140 K.
  • a fourth phase of cooling the user with a temperature of 120K may have a configuration that differs from that of the figure 4 only in that the helium leaving the third heat exchanger is not recirculated in the second heat exchanger (valve 225 closed).
  • the auxiliary fluid (nitrogen) at a temperature of about 80 K is allowed to circulate in the second heat exchanger and comes out, for example, at a temperature of about 120 K.
  • the device can adopt a fifth phase of operation illustrated in FIG. figure 6 .
  • This fifth phase of operation differs from the configuration of the figure 5 only in that the helium from the compression station 1 is distributed between the first 5 and second 15 heat exchangers (valves 116 and 126 closed while the valve 136 is open).
  • the auxiliary fluid (nitrogen) at a temperature of about 80K is allowed to circulate in the second heat exchanger and it comes out for example at a temperature of about 300K.
  • the architectures described above thus make it possible to cool a massive component of a relatively hot temperature (for example 300K at a relatively low temperature (for example 80K) with the same number of equipment as necessary for normal (nominal) operation. refrigerator / liquefier.
  • the three heat exchangers 5, 15 and 25 may advantageously be heat exchangers of the same type, for example aluminum plates and fins. This makes it possible to use compact heat exchangers 5, 15, 25 and efficiently for all the operating modes of the device (cooling or normal operation).
  • This architecture makes it possible in particular to reduce the size of the first heat exchanger with respect to known systems.
  • this first heat exchanger only receives helium (no nitrogen).
  • the flow of helium at high pressure can be reduced in part by distributing a portion of this helium in the second heat exchanger.
  • the relatively hot and cold helium flow rates are not completely balanced, that is to say that the cold flow rates induce an increase in the pinch, that is to say an increase in the minimum temperature difference.
  • the cold fluids and the hot fluids along the exchanger and an increase in the "LMTD" i.e., an increase in the logarithmic mean of the temperature differences of the heat exchanger.
  • the frigories brought by the cold flows become more important than the calories to be extracted from the hot flow. The cold flow rates therefore undergo less warming, hence the increase in the LMTD of the heat exchanger.
  • This arrangement makes it possible to reduce the temperature differences at the second heat exchanger due to the helium transferred to the second changer 15 via the recovery line 125.
  • This helium from the recovery line 125 is reheated by yielding frigories to the second heat exchanger and is then mixed with the relatively cold helium flow which flows downstream into the cold box.
  • the device has many advantages over the prior art.
  • the device makes it possible in particular to size the first 5, second 15 and third 25 exchangers for the normal operation of the refrigerator and can thus be constituted by aluminum exchangers with plates and fins.
  • the device also allows the helium temperature to be regulated in a simple and effective manner depending on the operating mode.

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Description

  • La présente invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction ainsi qu'un procédé correspondant.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série :
    • une station de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur,
    • une boîte froide pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur disposés en série et au moins un organe de détente du gaz de travail,
    • un système d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur,
    • au moins une conduite de retour dans la station de compression pour le gaz de travail ayant transité dans le système d'échange thermique, la conduite de retour comprenant au moins un échangeur de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station de compression, le système de pré-refroidissement comprenant une capacité de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier et un second échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station de compression, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station de compression peut être admis sélectivement dans le premier et/ou dans le second échangeur de chaleur, le premier étage de refroidissement comprenant également un troisième échangeur de chaleur sélectivement en échange thermique avec le fluide auxiliaire.
  • L'invention concerne notamment les réfrigérateurs/liquéfacteurs à hélium générant des températures très basses (par exemple 4,5K pour le cas de l'hélium) en vue de refroidir en continu des utilisateurs tels que des câbles supraconducteurs ou des organes d'un dispositif de génération de plasma (« TOKAMAK »). Par dispositif de réfrigération/liquéfaction, on désigne notamment les dispositifs de réfrigération et/ou les dispositifs de liquéfaction à très basse température (températures cryogéniques) refroidissant et liquéfiant le cas échéant un gaz à faible masse molaire tel que de l'hélium.
  • Lors de la mise en froid de l'utilisateur, c'est-à-dire lorsque l'utilisateur doit être amené d'une température de départ relativement élevée (par exemple 300K ou au-dessus) jusqu'à une température basse déterminée, de fonctionnement nominal (par exemple autour de 80K). Le dispositif de réfrigération/liquéfaction est généralement peu adapté à une telle mise en froid.
  • En effet, lors de la mise en froid de composants lourds (comme des aimants surpra-conducteurs par exemple) de la température ambiante jusqu'à 80K sur une grande période (pendant quelques dizaines de jours), des flux d'hélium relativement chaud et froid (alimentation en direction de l'utilisateur et retour de l'utilisateur) transitent à contre-courant dans des échangeurs communs. Pour le bon fonctionnement du dispositif, il est cependant nécessaire de limiter l'écart de température entre ces flux d'hélium (par exemple entre 40K et 50K d'écart au maximum).
  • A cet effet le dispositif comporte un système de pré-refroidissement auxiliaire qui fournit des frigories pendant cette mise en froid.
  • Comme illustré notamment dans l'article (« Solutions for liquid nitrogen pre-cooling in helium refrigeration cycles» de U. Wagner du CERN - 2000), le système de pré-refroidissement comprend généralement une capacité d'azote liquide (à température constante, par exemple 80K) qui fournit des frigories au gaz de travail via au moins un échangeur de chaleur. FR 2 919 713 dévoile un dispositif de réfrigeration selon le préambule de la revendication 1.
  • Ces systèmes connus de pré-refroidissement présentent cependant des contraintes ou inconvénients.
  • Ainsi, des mélanges de fluides sont nécessaires entre de l'hélium à 80K et de l'hélium plus chaud (à la température ambiante ou à la température de retour de l'utilisateur à refroidir).
  • Pour limiter la consommation d'azote liquide il est par ailleurs nécessaire de récupérer les frigories de l'hélium qui revient de l'utilisateur à refroidir au fur et à mesure de son refroidissement. Ces contraintes d'écart de température et de performance nécessitent des technologies d'échangeurs de chaleur différentes en fonction des différentes configurations de fonctionnement (mise en froid, fonctionnement normal).
  • Ainsi, pendant l'opération normale (hors de la phase de mise en froid), les échangeurs doivent être très performants, c'est-à-dire avoir de faibles pertes de charge et ne doivent pas être confrontés à des écarts de température importants. Les échangeurs de chaleurs adaptés pour ce fonctionnement normal comprennent des échangeurs de type en aluminium à plaque et ailettes brasées. Ce type d'échangeur ne peut typiquement accepter des écarts de température entre fluides à contre courant de plus de 50 K.
  • Pendant la mise en froid d'utilisateurs massifs, la performance de l'échange thermique requis dans les échangeurs est moins importante mais reste élevée. En revanche, les écarts de température (du fait de l'azote liquide à température constante) deviennent relativement importants (supérieurs à 50K).
  • Lorsque les températures de l'hélium sont encore élevées dans les circuits et échangeurs, la perte de charge est bien supérieure à celle requise en fonctionnement normal.
  • Des solutions existantes pour résoudre ces problèmes nécessitent un échangeur principal à l'entrée de la boîte froide qui assure un échange thermique entre l'hélium et l'azote. D'autres solutions prévoient de scinder cet échangeur principal en plusieurs sections indépendantes réalisées dans des technologies d'échangeurs différentes selon la nature du fluide (hélium ou azote).
  • Ces solutions ne résolvent pas de façon satisfaisante les problèmes car le dispositif est soit mal adapté au fonctionnement normal, soit mal adapté à la phase de mise en froid.
  • 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 dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur est relié à la fois en série et en parallèle au premier et au second échangeurs de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier et/ou du second échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième échangeur de chaleur, le circuit de travail comprenant une conduite de récupération munie d'au moins une vanne et qui relie la sortie du troisième échangeur de chaleur au second échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur vers le second échangeur de chaleur.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • au moins l'un parmi : le premier, le second et le troisième échangeur de chaleur est un échangeur en aluminium de type à plaque et à ailettes,
    • le troisième échangeur de chaleur est un échangeur de chaleur immergé au moins partiellement dans la capacité de fluide auxiliaire,
    • le troisième échangeur de chaleur est un échangeur distant de la capacité et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite d'alimentation,
    • le dispositif comporte une conduite d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité à un système de récupération déporté via un passage dans le second échangeur de chaleur, pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail,
    • à la sortie du troisième échangeur de chaleur, le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite de récupération, ladite portion comprenant un ensemble de vanne(s) pour assurer une répartition sélective entre les deux lignes parallèles,
    • la conduite de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur, se raccorde en aval au circuit de travail de la boîte froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail.
    • le premier et un second échangeur de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station de compression via un réseau de conduites et de vannes formant une liaison en parallèle et une liaison en série entre les deux échangeurs de chaleur ainsi qu'une ligne de by-pass du premier échangeur de chaleur,
    • la capacité est sélectivement alimentée en fluide auxiliaire via une conduite d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire et munie d'une vanne,
    • le premier échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre des flux différents de gaz de travail à des températures respectives différentes et comprend un premier passage alimenté en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant de la station de compression, un second passage à contre-courant du premier passage et alimenté par la conduite de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite de renvoi du circuit de travail renvoyant du gaz de travail à partir de la boîte froide n'ayant pas transité dans le système d'échange thermique,
    • le second échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre le gaz de travail et le gaz auxiliaire et comprend un premier passage alimenté en gaz de travail provenant du premier échangeur de chaleur et/ou provenant directement de la boîte froide, un second passage, à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz auxiliaire vaporisé via la conduite d'évacuation, un troisième passage alimenté en gaz de travail via la conduite de récupération,
    • les sorties de fluide de travail des premier et second échangeurs de chaleur ainsi que la ligne de by-pass du premier échangeur de chaleur sont raccordées en parallèle à l'entrée de fluide de travail du troisième échangeur via un réseau de conduites et de vannes de sorte que le troisième échangeur de chaleur reçoit du fluide de travail provenant sélectivement soit uniquement du premier échangeur de chaleur et/ou du fluide de travail provenant uniquement du second échangeur de chaleur et/ou du fluide de travail ayant transité par le premier puis le second échangeur de chaleur.
  • L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 120K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant admis à nouveau au moins en partie en amont dans le second échangeur de chaleur pour y céder des frigories.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 50 et 200K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide sans repasser en amont par le second échangeur de chaleur,
    • l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 90 et 400K, après l'étape de pré-refroidissement lorsque l'utilisateur atteint une température comprise entre 50 et 90K, le procédé comportant ensuite une étape de refroidissement continu de l'utilisateur dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est séparé en deux fractions refroidies par échange thermique respectivement dans le premier échangeur de chaleur et dans le second échangeur de chaleur, les deux fractions de gaz étant ensuite regroupées et refroidies dans le troisième échangeur de chaleur, le gaz de travail refroidi sortant du troisième échangeur étant dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide sans repasser en amont par le second échangeur de chaleur,
    • le procédé comporte une étape de récupération d'au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé et une étape de transfert des frigories de ce fluide auxiliaire vaporisé vers le gaz de travail dans le second échangeur de chaleur.
  • L'invention peut concerner également tout dispositif ou 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 aux figures dans lesquelles :
    • la figure 1 représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant la structure d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur,
    • la figure 2 représente de façon schématique et partielle, un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur,
    • la figure 3 représente de façon schématique et partielle un détail de la boîte froide d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération selon un second exemple de réalisation,
    • les figures 4 à 6 représentent le détail de la figure 3 selon respectivement différentes configurations de fonctionnement distinctes.
  • Comme représenté à la figure 1, l'installation 100 peut comprendre, classiquement, un dispositif de réfrigération/liquéfaction comprenant un circuit de travail soumettant de l'hélium à un cycle de travail pour produire du froid. Le circuit de travail du dispositif de réfrigération 2 comprend une station 1 de compression munie d'au moins un compresseur 5 et de préférence plusieurs compresseurs qui assurent une compression de l'hélium.
  • En sortie de la station de la station 1 de compression, l'hélium entre dans une boite 2 froide pour le refroidissement de l'hélium. La boîte 2 froide comprend plusieurs échangeurs 5 de chaleur qui échangent thermiquement avec l'hélium pour refroidir ce dernier. De plus, la boîte 2 froide comprend une ou plusieurs turbines 7 pour détendre l'hélium compressé. De préférence, la boite 2 froide fonctionne selon un cycle thermodynamique de type Brayton ou tout autre cycle approprié. Au moins une partie de l'hélium est liquéfié à la sortie de la boîte 2 froide et entre dans un système 14 d'échange thermique prévu pour assurer un échange thermique sélectif entre l'hélium liquide et un utilisateur 10 à refroidir. L'utilisateur 10 comprend par exemple un générateur de champ magnétique obtenu à l'aide d'un aimant supraconducteur et/ou une ou des unités de pompage par cryo-condensation ou tout autre organe nécessitant un refroidissement à très basse température.
  • Comme schématisé à la figure 1, le dispositif comprend en outre, de façon connue en soit, un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station 2 de compression. Le système de pré-refroidissement comprend une capacité 3 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide. La capacité 3 est reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail.
  • Par exemple, la capacité 3 peut être alimentée en fluide auxiliaire via une conduite 13 d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire (non représentée) et munie d'une vanne 23 (cf. figure 3).
  • Dans l'exemple plus détaillé de la figure 2, la station 1 de compression comporte deux compresseurs 11, 12 en série définissant par exemple trois niveaux de pression pour l'hélium. Comme schématisé, la station 2 de compression peut comporter également des organes 8 de purification de l'hélium.
  • A la sortie de la station 1 de compression, l'hélium est admis dans une boîte 2 froide dans laquelle cet hélium est refroidi par échange thermique avec plusieurs échangeurs 5 et dans laquelle il est détendu dans des turbines 7.
  • L'hélium liquéfié dans la boite 2 froide peut être stocké dans une réserve 14 munie d'un échangeur 144 destiné à échanger thermiquement avec l'utilisateur 10 à refroidir (par exemple via un circuit muni d'une pompe). Ce système 14 d'échange thermique entre l'hélium et l'utilisateur 10 peut comporter toute autre structure appropriée.
  • L'hélium à basse pression ayant transité dans le système 14 d'échange thermique est renvoyé vers la station 1 de compression via une conduite 9 de retour en vue de recommencer un cycle de travail. Lors de ce retour, l'hélium relativement froid cède des frigories aux échangeurs 5 de chaleur et de cette façon assure le refroidissement de l'hélium relativement chaud qui est refroidi et détendu en sens inverse avant d'atteindre l'utilisateur 10.
  • Comme illustré, le circuit de travail peut comporter une conduite 19 de renvoi renvoyant vers la station 1 de compression de l'hélium de la boîte froide 2 n'ayant pas transité dans le système 14 d'échange thermique.
  • Comme visible à la figure 2, le dispositif comprend un système de pré-refroidissement comprenant une capacité 13 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide à une température de 80K par exemple.
  • La boîte 2 froide comprend un premier étage de refroidissement de l'hélium qui reçoit l'hélium dès sa sortie de la station 1 de compression.
  • Ce premier étage de refroidissement comporte un premier 5 échangeur de chaleur et un second 15 échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station 1 de compression. C'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station 2 de compression peut être admis sélectivement dans le premier 5 et/ou dans le second 15 échangeur de chaleur.
  • Le premier 5 échangeur de chaleur est par exemple du type à échange de chaleur entre des flux différents d'hélium à des températures respectives différentes. Le premier 5 échangeur peut comporter un premier passage alimenté 6 en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant directement de la station 1 de compression, un second passage à contre-courant du premier passage et alimenté par la conduite 9 de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite 19 de renvoi.
  • Le second 15 échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre le gaz de travail et le gaz auxiliaire et comprend par exemple un premier passage alimenté 16 en gaz de travail provenant du premier 5 échangeur de chaleur et/ou provenant directement de la boîte 2 froide, un second passage, à contre-courant du premier passage et prévu pour du gaz auxiliaire vaporisé, ainsi qu'un troisième passage alimenté en gaz de travail via la conduite 125 de récupération.
  • Comme illustré dans l'exemple de la figure 3, le premier 5 et un second 15 échangeur de chaleur peuvent être raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station 1 de compression via un réseau de conduites 6, 16, 26, 36 et de vannes 116, 126, 136 formant :
    • une liaison en parallèle entre les deux échangeurs 5, 15 de chaleur
    • une liaison en série entre les deux échangeurs 5, 15 de chaleur ainsi qu'
    • une ligne de by-pass du premier 5 échangeur de chaleur.
  • Le premier étage de refroidissement comprend également un troisième échangeur de chaleur 25. Ce troisième échangeur 25 de chaleur est relié à la fois en série et en parallèle au premier 5 et au second 15 échangeur de chaleur. C'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier 5 et/ou du second 15 échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième 25 échangeur de chaleur. Comme illustré par exemple plus en détail à la figure 3, ceci est obtenu en reliant une entrée de fluide du troisième échangeur 25 de chaleur à deux sorties de fluides appartenant respectivement au premier 5 et second échangeur 15.
  • Comme illustré à la figure 1, le circuit de travail comprend une conduite 125 de récupération qui relie sélectivement la sortie du troisième échangeur de chaleur 25 au second 15 échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur 25 vers le second échangeur de chaleur 15.
  • Par exemple, à la sortie d'hélium du troisième échangeur de chaleur 25, le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite 125 de récupération. Cette portion de circuit peut comprendre un ensemble de vanne(s) 225, 44 pour assurer une répartition sélective de l'hélium entre les deux lignes parallèles (cf. figure 3).
  • De plus, la conduite 125 de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur 25, se raccorde en aval au circuit de travail de la boîte 2 froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail.
  • Le troisième échangeur 25 de chaleur est alimenté sélectivement en fluide auxiliaire (azote par exemple). Par exemple, le troisième échangeur de chaleur 25 est un échangeur distant de la capacité 3 et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite 13 d'alimentation. Ceci permet de transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers l'hélium au sein du troisième échangeur 25 de chaleur.
  • Comme visible à la figure 2, le dispositif comporte de préférence une conduite 225 d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité 3 à un système de récupération déporté via un passage dans le second 15 échangeur de chaleur. Ceci permet de transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail traversant le second échangeur 15 de chaleur.
  • La figure 3 illustre une variante de réalisation du premier étage de refroidissement du dispositif. La forme de réalisation de la figure 3 se distingue de celle de la figure 2 uniquement en ce que le troisième échangeur de chaleur 25 est cette fois immergé dans la capacité de fluide auxiliaire.
  • Les figures 4 à 6 sont trois configurations distinctes pouvant être utilisées lors d'une succession d'un exemple de fonctionnement possible du dispositif.
  • Dans une première phase de mise en froid d'un utilisateur illustrée à la figure 4, l'hélium provenant de la station 1 de compression est refroidi en série successivement dans les premier 5, second 15 et troisième 25 échangeurs de chaleur (vannes 116 et 126 fermées, vanne 136 ouverte). De plus, à la sortie du troisième échangeur 25 de chaleur, l'hélium refroidi revient faire un passage dans le second 15 échangeur de chaleur via la conduite 125 de récupération (vannes 225 et 44 ouvertes).
  • Le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur (il en ressort par exemple à une température de 270K environ).
  • Ceci peut correspondre au début d'une opération de mise en froid d'un utilisateur initialement à une température de 300K. Durant cette première phase, la température de l'hélium peut être :
    • environ égale à 300K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 110K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 154K en aval 4 du premier étage de refroidissement.
  • Une seconde phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 200K peut comporter la même configuration que celle de la figure 4.
  • Durant cette seconde phase, la température de l'hélium peut être :
    • environ égale à 200K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 110K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 154K en aval 4 du premier étage de refroidissement.
  • Dans cette seconde phase le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 190K environ.
  • Une troisième phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 140K peut comporter la même configuration que celle de la figure 4.
  • Durant cette troisième phase, la température de l'hélium peut être :
    • environ égale à 140K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 115K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 96K en aval 4 du premier étage de refroidissement.
  • Dans cette troisième phase le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 140K environ.
  • Une quatrième phase de mise en froid de l'utilisateur ayant une température de 120K peut comporter une configuration qui diffère de celle de la figure 4 uniquement en ce que l'hélium sortant du troisième échangeur 25 de chaleur n'est pas recirculé dans le second 15 échangeur de chaleur (vanne 225 fermée).
  • Durant cette quatrième phase, la température de l'hélium peut être :
    • environ égale à 120K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 115K à la sortie du second 15 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K en aval 4 du premier étage de refroidissement.
  • Dans cette quatrième phase, le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 120K environ.
  • Enfin, après ce processus de pré-refroidissement, lorsque l'utilisateur a atteint sa température basse de fonctionnement nominal (par exemple 80K), le dispositif peut adopter une cinquième phase de fonctionnement illustrée à la figure 6.
  • Cette cinquième phase de fonctionnement dit « nominal » ou normal (c'est-à-dire stabilisé), se distingue de la configuration de la figure 5 uniquement en ce que l'hélium issu de la station 1 de compression se répartit entre les premier 5 et second 15 échangeurs de chaleur (vannes 116 et 126 fermée tandis que la vanne 136 est ouverte).
  • Durant cette cinquième phase, la température de l'hélium peut être :
    • environ égale à 86K avant d'entrer dans le troisième 25 échangeur de chaleur,
    • environ égale à 80K en sortie du troisième 25 échangeur de chaleur,
  • Dans cette cinquième phase, le fluide auxiliaire (azote) à une température de 80K environ est admis à circuler dans le second 15 échangeur de chaleur et il en ressort par exemple à une température de 300K environ.
  • Les architectures décrites ci-dessus permettent ainsi de mettre en froid un composant massif d'une température relativement chaude (par exemple 300K à une température relativement basse (par exemple 80K) avec le même nombre d'équipements que nécessaire au fonctionnement normal (nominal) du réfrigérateur/liquéfacteur.
  • En effet, les trois échangeurs 5, 15 et 25 peuvent être avantageusement des échangeurs de chaleur du même type, par exemple en aluminium à plaques et ailettes. Ceci permet d'utiliser des échangeurs 5, 15, 25 compacts et de façon efficace pour tous les modes de fonctionnement du dispositif (mise en froid ou fonctionnement normal).
  • Cette architecture permet en particulier de réduire la taille du premier 5 échangeur de chaleur par rapport aux systèmes connus. En effet, ce premier 5 échangeur de chaleur n'accueille que de l'hélium (pas d'azote). De plus, le débit d'hélium à haute pression (venant de la station 1 de compression) peut y être réduit en partie en répartissant une partie de cet hélium dans le second 15 échangeur de chaleur.
  • De plus, les débits relativement chauds et froids d'hélium ne sont pas complètement équilibrés, c'est-à-dire que les débits froids induisent une augmentation du pincement c'est-à-dire une augmentation de l'écart de température minimum entre les fluides froids et les fluides chauds le long de l'échangeur et une augmentation du « LMTD » c'est-à-dire une augmentation de la moyenne logarithmique des différences de températures de l'échangeur 5 de chaleur. En effet, en proportion, les frigories apportées par les débits froids deviennent plus importantes que les calories à extraire du débit chaud. Les débits froids subissent donc un réchauffement moins important, d'où l'augmentation du LMTD de l'échangeur 5 de chaleur.
  • En fonctionnement normal, le premier 5 et le second 15 échangeur fonctionnement en parallèle (figure 6). Lors d'une mise en froid, ces deux échangeurs 5, 15 fonctionnent au contraire en série.
  • Cet agencement permet de réduire les écarts de températures au niveau du second 15 échangeur de chaleur du fait de l'hélium transféré dans le second changeur 15 via la conduite 125 de récupération.
  • Cet hélium de la conduite 125 de récupération est réchauffé en cédant des frigories au second 15 échangeur de chaleur puis est mélangé au débit d'hélium relativement froid qui part vers l'aval dans la boîte froide.
  • Le dispositif présente de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur.
  • Ainsi, le dispositif permet notamment de dimensionner les premier 5, second 15 et troisième 25 échangeurs pour le fonctionnement normal du réfrigérateur et peuvent ainsi être constitués d'échangeurs en aluminium à plaques et ailettes.
  • Le dispositif permet de plus de réguler de façon simple et efficace la température de l'hélium selon le mode de fonctionnement.

Claims (12)

  1. Dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série :
    - une station (1) de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur (11, 12),
    - une boîte froide (2) pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs (5) de chaleur disposés en série et au moins un organe (7) de détente du gaz de travail,
    - un système (14) d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur (10),
    - au moins une conduite de retour (9) dans la station de compression (1) pour le gaz de travail ayant transité dans le système (14) d'échange thermique, la conduite (9) de retour comprenant au moins un échangeur (5) de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station (1) de compression, le système de pré-refroidissement comprenant une capacité (3) de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité (3) étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide (2) comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier (5) et un second (15) échangeur de chaleur raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie de la station (1) de compression, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station (1) de compression peut être admis sélectivement dans le premier (5) et/ou dans le second (15) échangeur de chaleur, caractérisé en ce que le premier étage de refroidissement comprend également un troisième échangeur de chaleur (25) sélectivement en échange thermique avec le fluide auxiliaire,
    le troisième échangeur (25) de chaleur étant relié à la fois en série et en parallèle au premier (5) et au second (15) échangeurs de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail sortant du premier (5) et/ou du second (15) échangeur de chaleur est admis sélectivement dans le troisième (25) échangeur de chaleur, et en ce que le circuit de travail comprend une conduite (125) de récupération munie d'au moins une vanne (225) et qui relie la sortie du troisième échangeur de chaleur (25) au second (15) échangeur de chaleur, pour permettre sélectivement le transfert de frigories du gaz de travail sortant du troisième échangeur de chaleur (25) vers le second échangeur de chaleur (15).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que au moins l'un parmi : le premier (5), le second (15) et le troisième (25) échangeur de chaleur est un échangeur en aluminium de type à plaque et à ailettes.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (25) est un échangeur de chaleur immergé au moins partiellement dans la capacité (3) de fluide auxiliaire.
  4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (25) est un échangeur distant de la capacité (3) et alimenté sélectivement en fluide auxiliaire via un circuit comprenant au moins une conduite (13) d'alimentation.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte une conduite (225) d'évacuation du gaz auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la capacité (3) à un système de récupération déporté via un passage dans le second (15) échangeur de chaleur, pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire gazeux vaporisé vers le gaz de travail.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, à la sortie du troisième échangeur de chaleur (25), le circuit de travail comprend une portion limitée subdivisée en deux lignes parallèles dont l'une des deux lignes constitue la conduite (125) de récupération, ladite portion comprenant un ensemble de vanne(s) (225, 44) pour assurer une répartition sélective entre les deux lignes parallèles.
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la conduite (125) de récupération, après son transit dans le troisième échangeur de chaleur (25), se raccorde en aval au circuit de travail de la boîte (2) froide en vue de poursuivre le refroidissement du gaz de travail.
  8. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique.
  9. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 120K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est admis à nouveau au moins en partie en amont dans le second (15) échangeur de chaleur pour y céder des frigories.
  10. Procédé de refroidissement selon la revendication 8 ou 9 caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 50 et 200K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide (2) sans repasser en amont par le second (15) échangeur de chaleur.
  11. Procédé de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 90 et 400K et en ce que, après l'étape de pré-refroidissement lorsque l'utilisateur atteint une température comprise entre 50 et 90K, le procédé comporte ensuite une étape de refroidissement continu de l'utilisateur (10) dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est séparé en deux fractions refroidies par échange thermique respectivement dans le premier (5) échangeur de chaleur et dans le second (15) échangeur de chaleur, les deux fractions de gaz étant ensuite regroupées et refroidies dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le gaz de travail refroidi sortant du troisième (25) échangeur est dirigé en aval du circuit de travail dans la boîte froide (2) sans repasser en amont par le second (15) échangeur de chaleur.
  12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de récupération (225) d'au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé et une étape de transfert des frigories de ce fluide auxiliaire vaporisé vers le gaz de travail dans le second (15) échangeur de chaleur.
EP13803118.2A 2013-01-03 2013-11-08 Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant Active EP2941602B1 (fr)

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