EP3510257A1 - Système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide, et procédé correspondant - Google Patents

Système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide, et procédé correspondant

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EP3510257A1
EP3510257A1 EP17784668.0A EP17784668A EP3510257A1 EP 3510257 A1 EP3510257 A1 EP 3510257A1 EP 17784668 A EP17784668 A EP 17784668A EP 3510257 A1 EP3510257 A1 EP 3510257A1
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compressed
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air
expander
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Definitions

  • the invention relates to a system and method for producing mechanical energy from liquid nitrogen and / or producing liquid nitrogen or other liquefied gas.
  • the invention relates to an energy storage system in the form of liquid nitrogen or other liquid gases such as air.
  • WO-Al-2014/154715 discloses a reversible mechanical system that can operate in two modes, namely:
  • liquid nitrogen generating mode during the implementation of which liquid nitrogen is produced and stored
  • the system comprises a piston compressor in which nitrogen gas is admitted to be compressed.
  • the compressed nitrogen is introduced into an exchanger in which it is cooled before being admitted to a piston expander in which it is expanded and partly liquefied.
  • the liquid nitrogen produced is stored.
  • the non-liquefied nitrogen within the expander is admitted into the heat exchanger to cool the compressed nitrogen gas from the compressor back into the compressor.
  • liquid nitrogen pumped under high pressure, is vaporized in an exchanger and then admitted to a first piston regulator (which acts as a regulator where liquid nitrogen is formed in generator mode) and then to a second pressure regulator.
  • piston which acts as a low pressure compressor in generator mode.
  • the pistons are connected to the same crankshaft which is rotated due to the expansion, inside the regulators, vaporized nitrogen.
  • the invention particularly aims to provide an effective solution to at least some of these different problems.
  • an object of the invention is to increase the motor mode efficiency of a mechanical mechanical energy production system from liquid nitrogen or other liquefied gas.
  • Another object of the invention is, according to at least one embodiment, to increase the efficiency in generator mode of a mechanical system for producing liquid nitrogen or other liquefied gas.
  • the invention aims, according to at least one embodiment, to provide such a system that is simple and / or effective and / or robust and / or cheap.
  • Another objective of the invention is, in at least one embodiment, to increase the overall efficiency and to reduce the cost of the energy storage system both in terms of storage and in terms of energy restitution. the combination of the three objectives mentioned above.
  • the invention proposes a mechanical energy production system comprising at least:
  • system having an engine operating mode wherein said system further comprises:
  • nitrogen gas or liquid means essentially composed of nitrogen but may include a small proportion of other elements and a lower oxygen content but sufficient if it is desired to make a combustion.
  • the nitrogen content of the fluid in question will preferably be between 90 and 98%.
  • the invention can be used as a simple and economical air liquefier and for use other than energy storage.
  • the cooling of air or nitrogen gas in the exchanger followed by a compression preferably adiabatic and then a relaxation thereof, with a supply of heat energy before and / or during the expansion, with a much larger volume, for example of the order of four times, produces an additional mechanical energy.
  • FIG. 1 illustrates a diagram of a system for producing mechanical energy from liquid nitrogen according to a simplified variant of the invention
  • FIG. 2 illustrates a diagram of a system for producing mechanical energy from liquid nitrogen according to an advanced variant of the invention
  • FIGS. 3 and 4 illustrate heating or cooling means upstream and in a respectively single or staged expander or compressor;
  • FIG. 5 illustrates a diagram of a system for producing liquid nitrogen according to the advanced variant of the invention
  • FIG. 6 illustrates a logic diagram of a method for producing mechanical energy according to the invention
  • FIG. 7 illustrates a logic diagram of the start-up phase of a process for producing liquid nitrogen according to the invention
  • FIGS. 8 and 8a illustrate the stabilized operating phase of a liquid nitrogen production process according to the invention
  • FIG. 9 illustrates a variant of a system according to the advanced variant of the invention comprising several compressors or expansion valves;
  • FIG. 10 illustrates a variant of a system according to the simplified variant of the invention comprising a stepped compressor / expander with two low pressure expansion chambers.
  • the invention relates to a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen.
  • Such a system comprises a pipeline 300 of liquid nitrogen under pressure which opens into a liquid nitrogen inlet 301 of a heat exchanger 302.
  • the heat exchanger 302 comprises a vaporized and heated nitrogen outlet 303 which is connected by a line 304 to a heated vaporized nitrogen inlet 305 of a compressor / expander 306.
  • the heat exchanger 302 includes a water inlet 305. ambient air 311.
  • the exchanger 302 is crossed by the pipe 302 'which leaves the inlet 301 of the exchanger to the outlet 303 of the exchanger.
  • the pipe 302 ' serves as a heat exchange surface in the exchanger with the fluid that passes through it internally, liquid nitrogen and the fluid that travels externally, air or nitrogen. It may consist of a set of plates stacked on each other and which form ducts or even consist of multiple ducts connected to the inlet 301 and the outlet 303 of the exchanger.
  • the compressor / expander 306 includes an exhaust outlet 307 of air or expanded nitrogen gas. It comprises an inlet 308 of cooled air which is connected by a pipe 309 to a cooled air outlet 310 of the exchanger 302.
  • the compressor / expander 306 may for example be a system comprising at least one piston 314 movable in a chamber 315 and connected to a crankshaft 316 by a connecting rod 317.
  • This crankshaft may for example be connected to an alternator 318 to produce electric current, serve to set in motion a vehicle or other.
  • the piston of the compressor / expander can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the system comprises means for heating the vaporized nitrogen before admission into the expander 306 or reheating inside the expander 306. They may include a heater 500 placed on the pipe 304. They may alternatively or in addition comprise means fluid injection 313 in the expander to ensure reheating.
  • the inlet 311 can be connected directly to another outlet of nitrogen under pressure (residual pressure of the expansion element) 312 of the compressor / expander 306 by means of a pipe 31.
  • this reduces the size of the system (including the exchanger 302, the compressor / expander 306).
  • the compressor / pressure reducer 306 (FIG. 1) can be staggered to compress or relax several times at different pressures, according to the principle shown in FIG. 4.
  • Several expansion valves / compressors (Two or more) can thus be implemented with means to admit in a compressor / expander the fluid from another expander / compressor to relax or compress at a different pressure than in the previous.
  • the high-pressure compressor / pressure reducer will include in addition to an additional orifice with the pipe that connects it to an additional orifice of the low-pressure regulator, the intake ports 308, and 305, the compressor pressure reducer / low pressure will include the exhaust ports 312 and 307 (each of the ports 308, 305, 312, 307 being connected to their respective pipe according to Figure 1).
  • the second low pressure stage may comprise two expansions 306 'and 306 "each connected to the high pressure stage by lines 400 and 400 'themselves connected to the orifices 600, 601, 602, 603.
  • One of the low pressure regulators may include an exhaust in the open by the outlet 307 and the other low pressure regulator, an exhaust through the outlet 312 which can be connected to the inlet of the exchanger 311 by the pipe 311 'as indicated in a previous variant.
  • the means for reheating the vaporized nitrogen before admission into a pressure reducer or reheating inside a pressure reducer can be arranged in each of the pressure reducing valves and alternatively or in addition to the intake pipe of each two.
  • the external heaters 500, 501 and 502 are placed on the pipes 304, 400 and 400 ', the internal heaters 313, 313' and 313 "are placed inside the compressor / expander 306, 306 ' and 306 ".
  • heating means can for example be provided by direct injection of an energy fluid such as gasoline with a combustion or by a fluid having a large specific heat such as water.
  • an energy fluid such as gasoline
  • a combustion or by a fluid having a large specific heat such as water.
  • the reheating is done outside the expander, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a coolant itself heated by a heat source: solar concentration, gas or gas combustion.
  • This reheating increases the volume of gas to relax and decreases the liquid nitrogen consumption for the same amount of mechanical energy produced.
  • a pressure sensor P is optionally placed on the pipe 31 and a temperature probe T ° is optionally placed on the pipe 304.
  • Such a system comprises a liquid nitrogen tank 10.
  • This reservoir 10 comprises a liquid nitrogen outlet 11 which is connected to a pipe 12 between two portions of which is placed a pump 13.
  • the pump 13 can be placed in the tank 10. It is optional the pressure that can be obtained by the heating the tank for example.
  • the pipe 12 opens into a valve 14.
  • the valve 14 comprises an outlet which is connected by a pipe 15 to the liquid nitrogen inlet inlet 160 of a heat exchanger 16.
  • the valve 14 is optional and the pipes 12 and 15 may constitute a single pipe when the valve 14 will not be implemented.
  • the heat exchanger 16 comprises a heated vaporized nitrogen outlet 161.
  • the heat exchanger 16 is crossed by the pipe 16 'which starts from the inlet 160 of the heat exchanger to the outlet 161 of the heat exchanger.
  • the pipe 16 ' serves as a heat exchange surface in the exchanger with the fluid that passes internally therethrough, the liquid nitrogen and the fluid that travels externally, air or nitrogen. It may consist of a set of plates stacked on each other and which form ducts or even consist of multiple ducts connected to the inlet 160 and the outlet 161 of the exchanger.
  • the heated vaporized nitrogen outlet 161 is connected to a pipe 17 which opens at the vaporized nitrogen inlet 180 of a pressure reducer 18 and optionally carries a temperature probe " ⁇ .
  • the heat exchanger 16 comprises an air intake inlet 162 preferably at room temperature or below.
  • This input 162 can optionally and alternatively be connected by a pipe 19 to an outlet optional nitrogen gas under pressure (residual pressure of the expansion) 181 of the regulator 18.
  • the heat exchanger 16 includes an outlet 163 of cooled air or nitrogen. This output is connected to a pipe 20 which opens into a valve 21.
  • the pipe 20 optionally comprises a temperature probe T.
  • the valve 21 is connected by a pipe 22 to a cooled intake of air or nitrogen 230 of an adiabatic compressor 23.
  • the valve 21 is optional and the pipes 20 and 22 may constitute a single pipe when the valve 21 will not be implemented.
  • the adiabatic compressor 23 comprises an outlet 232 of compressed air or nitrogen.
  • the compressed air or nitrogen outlet 232 is connected by a line 24 to a compressed air or nitrogen inlet 182 of the expander 18.
  • the expander 18 comprises a gaseous nitrogen exhaust outlet 183.
  • the valve 14 is optionally connected to an optional line 25 which is connected to an optional orifice 231 of the adiabatic compressor 23.
  • the valve 21 is optionally connected to an optional line 26 , connected to an optional port 1, of the optional liquid nitrogen tank 10.
  • the expander 18 and the adiabatic compressor 23 each comprise a drive shaft 184, 233.
  • the system comprises an output shaft 27. This can for example be connected to an alternator 28 to produce electric current, used to set a vehicle in motion or the like.
  • the drive shaft 184 of the expander 18 is or is connected to the output shaft 27 of the system directly or by a transmission.
  • the drive shaft 184 of the expander 18 is preferably connected to that of the adiabatic compressor 23 directly or by a transmission so that the adiabatic compressor 23 is driven by the expander 18.
  • auxiliary drive means must be placed implemented to drive the drive shaft of the compressor 23.
  • the drive shaft 233 of the compressor 23, the drive shaft 184 of the expander 18 and the output shaft 27 of the system can constitute one and same shaft, as shown in Figure 2.
  • the expander drives in motion both the adiabatic compressor and the output shaft.
  • the expander 18 and the adiabatic compressor 23 each comprise one or more pistons 185, 235 mounted movable in translation in one or more chambers 186, 236 and connected by means of connecting rods 187, 237 to a crankshaft 188, 238.
  • the crankshaft of the regulator constitutes the regulator drive shaft and the compressor crankshaft constitute the drive shaft of the compressor.
  • the compressor and the expander preferentially share the same crankshaft which is or is connected to the output shaft of the system.
  • the expander and the compressor may each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor respectively comprising the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor.
  • the rotor shaft of the compressor, the rotor shaft of the holder and the output shaft may be a single tree.
  • the pistons of the compressor and / or the regulator can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the compressor and the expander may allow relaxation and / or staged compression.
  • the compressor and the expander will be staged to compress or relax in several times at different pressures, according to the principle shown in Figure 4.
  • Several regulators / compressors (two or more) can thus be implemented with means to admit in a compressor / expander the fluid from another compressor expander to relax or compress at a different pressure than in the previous.
  • the system according to the invention obviously comprises control means for controlling the opening and closing of the various orifices (inputs, outputs) of the expander and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • control means for controlling the opening and closing of the various orifices (inputs, outputs) of the expander and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • the system comprises means for heating the vaporized nitrogen and / or compressed air or nitrogen gas before admission into the expander or reheating inside the expander.
  • such reheating means comprise an external heating system 40 placed on the pipes 17 and / or 24. They may alternatively or additionally comprise an internal heating system 41 allowing the injection of fluid into the regulator that ensures warming.
  • the heating means increase the temperature of the gas for example by the direct injection of a hot fluid such as water without combustion or a combustion fluid such as gasoline.
  • a hot fluid such as water without combustion or a combustion fluid such as gasoline.
  • the reheating is done outside the expander, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a coolant itself heated by a heat source: solar concentration, combustion gas or gasoline . It may also be a system for heating the walls of the regulator. This is applicable as part of the simplified version.
  • FIG. 4 illustrates a variant according to which the expander is staggered, that is to say that it comprises several regulators 18, 18 'placed in series, the exhaust gas vaporized partially expanded 181 of one (18 ) being connected to the partially expanded vaporized nitrogen inlet 180 'of the other (18') via a pipe 42.
  • the inlet / outlet 18 (optionally connected to the orifice 162 of the exchanger 16 via the pipe 19 ) and 183 are arranged in the low-pressure expander 18 'and the inlets / outlets 180 and 182 are arranged in the high-pressure expander 18.
  • the heating means comprise an external heating system 40 placed on the pipes 17 and / or 24. They may alternatively or additionally comprise an internal heating system 41 for injecting fluid into the expander (hot fluid like water without combustion inside the regulator or fluid with combustion inside the regulator) which ensures the heating. They may also include an external heating system 43 placed on the pipe or ducts 42 and / or an internal heating system 44 (of the system type 41) placed in the regulator (s) 18 '. It may also be a system for heating the walls of the regulators or regulators.
  • a system such as that described in connection with FIG. 4 can also make it possible to produce a staged compressor by placing a plurality of compressors 18 'and 18 in series.
  • the internal and / or external heating means are in makes cooling means.
  • these two pipes can be connected and lead into the same and single inlet 180 or 182.
  • two regulators can be implemented, one in which opens the pipe 17 and the other in which opens the pipe 24.
  • the expansion of the cooled air or nitrogen may take place after compression in the compressor 23 which will then act as a pressure reducer after the compression phase.
  • the mechanical energy due to the expansion inside the compressor 23 will then be recovered at its drive shaft.
  • the compressor 23, which will then be a compressor / pressure reducer, will comprise an additional orifice 234 for the exhaust of compressed air or cold nitrogen therein and heating means in the expander / compressor and / or on the pipe 24 .
  • the tank, lines and valve connected to it are optional. What is important is that the system comprises a liquid nitrogen inlet for connection to a liquid nitrogen feed device under pressure.
  • the amount of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 302 'and 304 for this start-up phase is related to the volume thereof and the desired pressure (approximately 200/300 bar).
  • the start-up phase is followed by a launch phase of the engine and then a stabilized operating phase during which the pressure in the pipes 302 ', 304 is regulated so as to maintain it at a determined pressure level while playing. on the amount of liquid nitrogen admitted through the orifice
  • the piston is initially at the top dead center, the inlet 305 is open, the orifices 308, 307 and, where appropriate, 312 are closed.
  • the orifices 301 and 303 are also open throughout the launching phase and the stabilized operating phase.
  • Liquid nitrogen is admitted (step 501) under pressure (about 200/300 bar) and about -195 ° C. via the pipe 300 into the inlet inlet 301 of the exchanger 302 and then the pipe 302 '.
  • step 502 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized and heated to a temperature close to ambient temperature (step 502). This has the effect of cooling the ambient air in the exchanger to a temperature close to the temperature of the liquid nitrogen which has been introduced (-195 ° C.) (step 53). About 1.7 kg of ambient air is required to carry 1 kg of liquid nitrogen at room temperature.
  • a step 504 of admission, in the expander 306, of vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.
  • the nitrogen vaporized and warmed to room temperature escaping from the heat exchanger 302 by the vaporized nitrogen outlet 303 is conveyed into the expander 306 via the pipe 304 and the open inlet 305.
  • steps 501 to 504 are simultaneous.
  • the vaporized nitrogen introduced into the expander 306 undergoes a step 505 of relaxation inducing the descent of the piston towards its bottom dead point and the setting in motion of the crankshaft: this set in motion constitutes a step 507 of mechanical energy recovery.
  • a reheating step 602 of the nitrogen will be carried out before admission (approximately 300/600 ° C.) and / or during expansion (approximately 20 to 140 ° C. if injection of fluid without combustion) so as to preferentially an exhaust temperature equal to or greater than the ambient temperature.
  • the heating means 500 and / or 313 will be implemented. If the reheating takes place before the admission, the relaxation will be preferably adiabatic, if the reheating takes place during the relaxation, the relaxation will be preferentially isothermal.
  • the inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the expanded nitrogen of the expander 306 (step 506) to escape when the piston returns to its top dead center.
  • Exhaust outlet 307 closes. The engine launch phase ends as the stabilized operating phase begins.
  • the stabilized operating phase begins with the choice of a trigger mode operation or a compression mode operation.
  • a step 65 of choosing a trigger mode or a compression mode is implemented.
  • this step 65 of choice consists in measuring the nitrogen temperature inside the pipe 300 at the outlet 303 of the exchanger or the pipe 304.
  • the process will continue by an implementation of the relaxation mode.
  • the expansion mode comprises a step 50 for admitting the pressurized liquid nitrogen (about 200/300 bar) and at about -195 ° C. via the pipe 300 into the inlet inlet 301 of the exchanger 302 and then the pipe 302 '.
  • the liquid nitrogen close to -195 ° C. is heated inside the exchanger 302 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized and heated to reach a temperature close to ambient temperature (step 52). This has the effect of cooling the ambient air in the exchanger to a temperature close to the temperature of the liquid nitrogen which has been introduced (-195 ° C.) (step 53). About 1.7 kg of ambient air is required to carry 1 kg of liquid nitrogen at room temperature.
  • a step 54 of admission, in the expander 306, of vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.
  • the nitrogen vaporized and warmed to room temperature escaping from the heat exchanger 302 by the vaporized nitrogen outlet 303 is conveyed into the expander 306 via the pipe 304 and the open inlet 305.
  • steps 51 to 54 are simultaneous.
  • the vaporized nitrogen introduced into the regulator 306 undergoes there a step 55 of relaxation inducing the descent of the piston towards its bottom dead point and the setting in motion of the crankshaft: this setting in motion constitutes a step 57 of recovery of mechanical energy.
  • a reheating step 62 of the nitrogen will be carried out before admission (about 300/600 ° C.) and / or during expansion (about 20 to 140 ° C. if injection of fluid without combustion) so as to have a exhaust temperature preferably equal to or greater than ambient temperature.
  • the heating means 500 and / or 313 will be implemented. If the reheating takes place before the admission, the relaxation will be preferably adiabatic, if the reheating takes place during the relaxation, the relaxation will be preferentially isothermal.
  • the inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the exhaust of the expanded nitrogen of the expander 306 (step 56) during the ascent of the piston to its top dead center.
  • the compression mode includes simultaneous implementation of the following steps:
  • step 53 the piston moves back to its bottom dead center.
  • the cooled ambient air leaving the exchanger 302 through the outlet 310 undergoes a step 53 'of admission into the compressor 306 flowing in the pipe 309 and through the inlet 308 of the compressor.
  • Input 308 closes and the piston rises to its top dead center.
  • the cold air (-195 ° approximately) then undergoes a step 58 adiabatic compression (with a pressure ratio of about 50) while the piston back to its top dead center in the compressor 302.
  • This adiabatic compression has the effect to increase the temperature of the air to the ambient temperature.
  • a reheat step 63 of the air will be implemented during the relaxation so that it is preferably isothermal. For this, the heating means 313 will be implemented.
  • a new step 65 of choice of the trigger mode or the compressor mode is implemented, then a new cycle is initiated.
  • the step 65 of choice between the compression mode and the expansion mode is optimized by controlling the temperature of the vaporized nitrogen at the outlet of the exchanger.
  • this step 65 can be replaced by a programming of the sequencing of the expansion and compression modes as a function of the need for heating of the liquid nitrogen and based on the quantity of air necessary for the heating and the vaporization of liquid nitrogen.
  • crankshaft of the pressure reducer 306 may, for example, make it possible to drive an alternator in rotation in order to produce electric current or to move a vehicle.
  • the escape step 56 (506) consists in evacuating the expanded nitrogen no longer through the outlet 307, but through the outlet 312, (the exit via the outlet 307 occurs alternately with the exit 312 when the pressure in the pipe 311 ', which constitutes a buffer tank, has reached a predetermined pressure threshold, if the pressure is sufficient in the pipe 31, the exhaust takes place in the open air through the orifice 307, if the pressure in the pipe 31 is insufficient, the exhaust takes place via the outlet 312 in the pipe 311 ').
  • the other advantage of this variant is that if the exhaust gas is recovered at about 6 bar and the pressure ratio of 50 is applied for the adiabatic compression of the cold nitrogen, we are left with a large amount nitrogen at 300 bar at room temperature in the compression chamber (when the piston reaches the top dead center).
  • This high-pressure gas can therefore be released through the orifice 305 to store it momentarily in the pipe 304, where the vaporized liquid nitrogen is located which is at the same pressure of 300 bar and at the same temperature, and then continues. later by several gas detents from the pipe 304 before making a new compression.
  • the fact of reintroducing the new compressed gases into the pipe 304 possibly makes it possible to implement the external heating step 62.
  • the inlet 305 opens so that all or part of the compressed air or nitrogen flows into the pipe 304 where it joins the vaporized nitrogen under pressure (step 400 exhaust). If all air or compressed nitrogen flows into line 304, the cycle continues with step 54. If only a portion of the air or compressed nitrogen flows into the Line 304, the cycle continues with step 59.
  • the compression of the cold gas from the exchanger can generate the production of a too large volume of compressed gas in the compressor. This volume is so important that it is not possible to completely relax thereafter except to admit a smaller quantity of cold gas, or to release in the ambient air gases still under pressure, which reduces the effectiveness of the system.
  • the compressor / expander is stepped with a high pressure chamber and a low pressure chamber and which can be combined with the variant according to which the inlet 311 of the heat exchanger is connected to the outlet 312 of the pressure reducer / compressor through the pipe 31, the compression of the cold air from the exchanger (step 58) can be done only in the high pressure chamber, after which part of the compressed cold air escapes from the compressor to join vaporized nitrogen heated in line 304 (step 400) while the other part is directly relaxed in the high pressure chamber before joining the low pressure chamber to be completely relaxed (step 59).
  • the high pressure compressor / pressure reducer will comprise the orifices 308, and 305
  • the low pressure expansion compressor will comprise the orifices 312 and 307.
  • the two compressors will each comprise an additional orifice connected by a pipe acting as a buffer tank and may include a heater.
  • the low pressure stage may comprise two expansions, one of which may comprise an exhaust in the open air through the outlet 307 and the other an exhaust through the outlet 312 connected to the inlet of the exchanger 311 through the pipe 31.
  • the exhaust will therefore take place simultaneously in the open air and in the pipe 31.
  • This last variant which has 3 cylinders can be converted into a liquid nitrogen generator according to the general indications expressed in the liquid nitrogen generator part according to the variant or the compressor may be staged. For this we will use the low pressure compressor / pressure reducer 306 'and the high pressure regulator 306 in isothermal staged compressor while the low pressure regulator 313 "will be used as a pressure reducer.
  • the method described in this paragraph corresponds to the implementation of the advanced version of the system described in connection with Figure 2 in a variant in which the pressure reducers and compressor each comprise a sleeve-piston assembly whose piston is connected to a crankshaft.
  • the amount of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 16 'and 17 for this start-up phase is related to the volume of these and the desired pressure (for example 300 bar).
  • the start-up phase also requires the line 24 to be put under a pressure of approximately 50 bar (300 bar if exhaust gas recovery option at 6 bar) during the first turns and to the extent that the volume of the pipe represents a certain amount volume relative to the cylinder capacity of the compressor.
  • the start-up and thus the pressurization of this pipe makes it possible to reach the compression ratio necessary for the heating of the cold gas, during the stabilized operation, which comes from the exchanger, by the adiabatic compression in the compressor.
  • the start-up phase is followed by a stabilized operating phase during which the pressure in the pipe 16 ', 17 is regulated so as to maintain it at a determined pressure level by varying the amount of liquid nitrogen admitted by the orifice 160 of the exchanger and with respect to the amount of air or nitrogen gas admitted into the exchanger.
  • the pressure in the pipe 24 is also regulated for example by a measurement of the pressure inside thereof and by varying the amount of gas which enters through the orifice 232 of the compressor and which leaves through the orifice 282 of the regulator.
  • the orifices 160 and 161 are open.
  • the regulator piston is initially in top dead center, port 180 is open.
  • the orifices 183, 181 and 182 are closed.
  • the method comprises a stage of vaporization of liquid nitrogen, in the heat exchanger 16 in which ambient air or nitrogen passes substantially at ambient temperature and still under pressure from the expander 18 and which is cooled during its passage through the exchanger 16 through the pipe 16 '.
  • the gaseous nitrogen obtained during the vaporization which, given the pressure, is in a critical phase (vapor / liquid), is heated before being expanded.
  • liquid nitrogen at approximately -195T is taken from the reservoir
  • the liquid nitrogen in the pipe 16 ' is heated inside the exchanger 16 by the air circulating in the exchanger and is vaporized therein (vaporization step 52) and reheated to a temperature close to room temperature , while the air circulating in the exchanger is cooled (step 53) to a temperature close to the temperature at which the liquid nitrogen is introduced into the exchanger (-195 ° C approximately).
  • the method then comprises a step 54 of admission, in the expander 18, vaporized nitrogen from the exchanger 16 and which is at a pressure close to about 300 bar and at a temperature for example close to room temperature .
  • the vaporized nitrogen escaping from the heat exchanger 16 through the vaporized nitrogen outlet 161 is conveyed into the expander 18 via the pipe 17 and the vaporized nitrogen inlet 180 which opens while the regulator piston is in the top dead center.
  • steps 50, 52 and 54 take place simultaneously.
  • the vaporized nitrogen introduced into the expander 18 undergoes a step 55 of relaxation inducing a displacement of the piston towards its bottom dead point, and the setting in motion of the drive shaft 184 of the expander, that is to say to say of the crankshaft. This corresponds to a mechanical energy recovery step 57.
  • a reheating step 62 (between 300 ° C. and 600 ° C.) of the nitrogen will be carried out before admission and / or during expansion (10 ° C. to 140 ° C. if injection of fluid without combustion). For this, the heating means 40 and / or 41 will be implemented.
  • the exit 183 opens and the piston returns to the top dead center.
  • the vaporized and then expanded nitrogen then undergoes an escape step 56 via the exit 183.
  • the outlet 181 opens alternately with the exhaust outlet to the open air 183, so as to obtain a constant pressure (about 1 to 6 bars) in the network between the orifice 181 and the orifice 230 and to ensure the escape step 56.
  • the nitrogen from outlet 181 of the regulator is admitted under pressure (about 1 to 6 bar) via line 19 into the inlet 162 in the exchanger 16 during the admission step 51, rather than ambient air.
  • pressure in the pipe 19 is sufficient the exhaust takes place through the orifice 183 in the open air.
  • the implementation of this variant requires a start-up step during which the liquid nitrogen, vaporized, heated and expanded in the expander, escapes into the pipe 19 through the orifice 181 (step 56) without being admitted into the compressor. This step is repeated until the pressure in the network between the orifice 181 and the orifice 230 reaches a predetermined pressure threshold, for example 1 to 6 bar. In stabilized operation the exhaust alternately takes place through the orifice 183 or 181 so as to maintain the desired pressure in the network between the orifice 181 and 230.
  • a predetermined pressure threshold for example 1 to 6 bar.
  • the liquid nitrogen is then heated inside the exchanger 16 by the nitrogen coming from the expander circulating in the exchanger, the nitrogen coming from the expander being cooled therein during step 53.
  • Admission into the nitrogen exchanger under pressure from the expander rather than ambient air increases the efficiency of the exchanger and thus reduce the size of the system.
  • the cooled air or nitrogen leaving the exchanger 16 via the outlet 163 undergoes an intake step 53 'in the compressor 23, flowing in the pipes 20, 22 and passing through the inlet 230 of the compressor .
  • the inlet 230 opens as the piston of the compressor passes from the top dead center to the bottom dead point and the piston of the regulator passes from the bottom dead center to the top dead center during the exhaust stage 56.
  • steps 51, 53 and 53 take place simultaneously.
  • Input 230 closes and the piston returns to the top dead center.
  • the cooled air or nitrogen undergoes a compression step 58 in the compressor 23.
  • This compression is preferably adiabatic and has the effect of heating the gas which is at a temperature close to -195 ° C., for example, up to temperature close to the ambient temperature due to compression.
  • the output 232 opens and compressed air or nitrogen then escapes from the compressor (with a temperature close to the ambient temperature for example and which is due to compression) and then flows into the pipe 24 acting as a buffer tank during an exhaust step 58 '.
  • the orifice 232 closes and the piston of the compressor returns to its bottom dead point while the orifice 182 opens so that this air or compressed nitrogen undergoes a step 54 'of admission into the regulator through the inlet 182. It undergoes a detent step 59 inducing the descent of the regulator piston to its bottom dead point and the setting in motion of the drive shaft 184 of the expander (step 61) and exhaust (step 60) when raising the piston to its top dead center while the opening 183 opens.
  • a step of reheating 62 of the nitrogen will be carried out before admission and / or during relaxation.
  • the heating means 40 and / or 41 will be implemented.
  • the admission into the vaporized nitrogen expander and the compressed air or nitrogen inlet may be simultaneous.
  • These pipes can also be connected together to achieve admission in one step and at a single point of entry.
  • the pressures in these two pipes are different, the expansion of vaporized nitrogen and the expansion of air or compressed nitrogen will be offset in time, the first expansion taking place with the fluid at higher pressure flowing in them. and the next with the lower pressure fluid flowing therein.
  • the setting in motion of the crankshaft or more generally of the drive shaft 184 of the expander 18 due to the expansion of the vaporized nitrogen coming from the exchanger and the compressed air or nitrogen coming from the compressor constitutes a stage of recovery (or production) of mechanical energy.
  • the setting in motion of the drive shaft 184 of the expander 18 may for example allow rotation of an alternator 28 to produce electric current or to move a vehicle.
  • the drive shaft of the regulator and that of the compressor are connected or constitutes the same shaft, the mechanical energy generated by the expander allows to animate the compressor.
  • drive means of the compressor must be implemented, such as an electric motor or other.
  • the orifice 232 opens so that all or part of the compressed air or nitrogen flows into the pipe 24 which acts as a buffer pipe.
  • the compressed air or nitrogen present in the pipe 24 could be partly expanded in the expander 23 and partly in the expander 18.
  • the cycle comprises an expansion in the expander 23 of this air or compressed nitrogen and then an exhaust through the orifice 234 .
  • the set of pipes and the heat exchanger preferably constitute buffer tanks so as to have the different fluids required for each step. This will easily synchronize the different steps of the process.
  • the invention relates to a mechanical system for producing liquid nitrogen.
  • Such a system comprises an isothermal compressor 18.
  • This compressor 18 comprises:
  • the first compressed air or nitrogen outlet 180 is connected by a pipe 17 to the compressed air or nitrogen inlet 161 of a heat exchanger 16.
  • the heat exchanger 16 comprises a compressed or cooled air or nitrogen outlet 160. This outlet 160 is connected to a pipe 15 connected to a valve 14.
  • the exchanger 16 is crossed by the pipe 16 'which starts from the inlet 161 of the exchanger to the outlet 160 of the exchanger.
  • the pipe 16 ' serves as a heat exchange surface in the exchanger with the fluid that flows internally, the compressed nitrogen and the fluid that flows externally cold nitrogen from the expander 23.
  • the pipe 16' can be consists of a set of plates stacked on each other and which form conduits or be constituted by multiple pipes connected, therefore, to the inlet 161 and the outlet 160 of the exchanger.
  • the valve 14 is connected by a pipe 25 to an inlet 231 of compressed or cooled air or nitrogen of a pressure reducer 23.
  • the valve 14 is connected to a pipe 12 on which is mounted a pump 13 and which is connected to a liquid nitrogen outlet 11 of the tank 10.
  • the valve 14 and the pipe 12, the pump 13 and the outlet 11 are optional and are not useful for producing liquid nitrogen.
  • the expander 23 comprises an inlet 232 of air or compressed nitrogen which is connected by a pipe 24 to the second compressed air or nitrogen outlet 182 of the compressor 18.
  • the expander 23 comprises an outlet 230 of a mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen. This output 230 is connected to a pipe 22 which opens into a valve 21.
  • the valve 21 includes means for separating a liquid phase and a gas phase.
  • the valve 21 comprises an outlet connected by a pipe 26 to the liquid nitrogen inlet 11 'of the liquid nitrogen tank 10.
  • the valve 21 has an outlet connected to a pipe 20 which opens at the inlet of non-liquefied nitrogen 163 of the heat exchanger 16.
  • the heat exchanger 16 comprises a heated non-liquefied nitrogen outlet 162 which is connected by a pipe 19 to the non-liquefied nitrogen inlet 181 of the compressor 18.
  • the expander 23 and the compressor 18 each comprise a drive shaft 233, 184.
  • the system comprises an output shaft 27.
  • the system comprises driving means for driving the drive shafts, such as for example an electric or wind motor 28.
  • the drive shaft of the expander is preferably connected to that of the compressor so that the drive means are common to the compressor and the expander.
  • the compressor drive shaft, the expander drive shaft and the output shaft of the system may be one and the same shaft.
  • the drive means are then connected to the output shaft and may for example include an electric motor 28 or wind.
  • the compressor and / or the regulator may be staggered to compress or relax in several times at different pressures, according to the principle shown in FIG. 4. Several regulators / compressors (two or more) may thus be implemented with means for admit in a compressor / expander the fluid from another compressor expander to relax or compress at a different pressure than in the previous.
  • the expander 18 and the compressor 23 each comprise one or more pistons 185, 235 mounted movable in translation in one or more chambers 186, 236 and connected to the connecting rod means 187, 237 to a crankshaft 188, 238.
  • the crankshaft of the regulator constitutes the The drive shaft of the pressure reducer and the crankshaft of the compressor constitute the drive shaft of the compressor.
  • the pistons of the compressor and / or the regulator can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the compressor and the expander preferentially share the same crankshaft which is or is connected to the output shaft of the system.
  • the expander and the compressor may each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor respectively comprising the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor.
  • the rotor shaft of the compressor, the rotor shaft of the holder and the output shaft may be a single tree.
  • the system comprises means for cooling the compressed nitrogen in the compressor either inside the compressor and / or the exhaust when the compressor is staged.
  • the cooling means make it possible to evacuate the heat generated by the compression and to reduce the compression force in such a way that the volume of the gas does not increase.
  • cooling means are preferably identical to the heating means of the engine mode system which are then reversible.
  • such cooling means comprise an external cooling system 40 'placed on the pipes 17 and / or 24.
  • They may alternatively or additionally include a system of internal cooling 4 for injecting fluid into the expander (cold fluid such as water) which provides cooling. It can also be a cooling system of the walls of the compressor.
  • a system of internal cooling 4 for injecting fluid into the expander (cold fluid such as water) which provides cooling. It can also be a cooling system of the walls of the compressor.
  • they comprise internal cooling means 44 ', 41' and / or external cooling means 43 ', 40'.
  • two regulators can be implemented.
  • One of these regulators will comprise an inlet 231 connected to the pipe 25 and an outlet 230 connected to the pipe 22.
  • the other will include an inlet 232 connected to the pipe 24 and an outlet 230 'connected to the pipe 25.
  • two compressors can be implemented.
  • One of the compressors will comprise an inlet 181 connected to the pipe 19, an outlet 180 connected to the pipe 17 and optionally an inlet 183.
  • the other will include an inlet 18 connected to the pipe 19, an outlet 182 connected to the line 24 and, where appropriate, an entrance 183.
  • the first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expansion valve23, the exchanger 16, the two networks of pipes between the orifices 230, 181 and 231, 180, the separator 21 with the outlet 26 of liquid nitrogen and the inlet 183 of nitrogen gas.
  • Line 24 is in the second circuit.
  • the second circuit is composed of the second compressor 18 'and which then comprises the output 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' by the inlet 232 while a new pipe network 1, 2, 3 connects the outlet 230 'of the expander 23' through the exchanger 16 through the inlet 163 'and the outlet 162' to the inlet 18 of the second isothermal compressor 18 '.
  • the exchanger 16 is crossed by two pipes 2, and 16 '.
  • the two circuits composed mainly of two networks each are independent of one another and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which may comprise a gas other than nitrogen provides the cooling of the exchanger 16 while the first circuit generates the liquid nitrogen by relaxing the nitrogen cooled in the exchanger and compressed in the compressor.
  • the cooling circuit compensates the liquid nitrogen produced and which does not participate in the cooling of the compressed nitrogen admitted into the exchanger.
  • the regulation of the cooling circuit can be ensured by a temperature probe placed on the pipe 25 which feeds the expansion valve where the liquid nitrogen is generated.
  • the compressor 18 and the expander 23 may be driven by an electric motor connected by the same drive shaft.
  • While the compressor 18 'and the expander 23' can also be connected by another drive shaft and driven by another electric motor and rotating at a different speed, so as to be able to finely regulate the temperature of the compressed nitrogen which enters the expander 23, this temperature being preferably must be close to the liquefaction point.
  • the system is designed so that it occurs, during its implementation, a series of cycles in the compressor and in the expander.
  • the system according to the invention obviously comprises control means for controlling the opening and closing of the various orifices (inputs, outputs) of the expander and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • control means for controlling the opening and closing of the various orifices (inputs, outputs) of the expander and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • the inlet 183 is not necessary, the nitrogen gas being injected, already under pressure, for example in the pipe 19.
  • the system comprises two circuits each connected to the compressor and the expander so that the nitrogen circulates in a closed circuit.
  • the first circuit operating at high pressure (for example between 5 and 100 bar), connects the orifices 180 to 231.
  • the second circuit operating at low pressure (for example between 1 and 10 bar), connects the orifices 230 to 181.
  • the nitrogen gas contained in the first pressurized circuit by means of the compressor is expanded in the second circuit by means of the expander.
  • the pressures in both circuits will be regulated so that maintain at a predetermined pressure level by varying the quantities of fluids admitted into the expander on the one hand and the nitrogen supplied to the system by the compressor on the other hand.
  • a step of admission of air or nitrogen 70 via the inlet 183 and a compression step 72 in the compressor 18 are implemented so as to feed the first circuit (step d).
  • the compressor 18 is operated until the pressure in the first circuit reaches a predetermined threshold value (step 74).
  • the second circuit is filled via the expander while maintaining the pressure in the first circuit via the compressor.
  • step 70 admit air or nitrogen gas in the compressor (step 70) and compress isothermally in the compressor (step 72) while implement an admission step 76 in the expander compressed nitrogen gas in order to relax it (step 79) and then extract it (escape step 790) in order to introduce it into the second circuit via the orifice 230.
  • steps 74 and 75 are implemented in loop until the pressure inside the first circuit and the pressure inside the second circuit reach their respective predetermined threshold value (steps 74 and 75). As soon as these pressures are reached, which means that the system is stabilized, the step of admission of external nitrogen gas stops.
  • the first and second circuits constitute buffers.
  • the start-up phase is followed by a stabilized operating phase, the implementation of which produces liquid nitrogen.
  • the ambient nitrogen admission step 70 is stopped. The system then operates in a closed circuit.
  • a phase separation step 88 for separating the liquefied nitrogen from the non-liquefied nitrogen gas the mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen is conveyed via the pipe 22 into the valve 21 incorporating separating means, a liquid phase and a gaseous phase; a liquid nitrogen recovery step 89 and optionally a liquefied nitrogen transporting step in the tank 10 via the pipe 26 and the inlet 1;
  • a step 91 of admission into the heat exchanger via the inlet 163 of the non-liquefied nitrogen gas the circulation of the non-liquefied nitrogen gas, which is cold, in the exchanger makes it possible to cool the nitrogen gas compressed in step 84 and thus to heat the non-liquefied nitrogen gas
  • a step 94 for determining at least one piece of information representative of the quantity of nitrogen fluid produced is implemented. This information is compared to a first predetermined threshold value (step 95). The admission step 93 then replaces the admission step 80 as soon as the information representative of the quantity of liquid nitrogen produced reaches this first predetermined threshold value.
  • One way to determine the moment to switch from an inlet 80 to an inlet 93 is to implement a step of measuring the pressure in the first or second circuit, then a step of comparing the pressure value. measured at a predetermined low threshold value, the switching from the admission step 71 to the step 70 is done as soon as this threshold value is reached.
  • Another way of determining the moment to switch from an admission 80 to an admission 93 is to implement a step of measuring the quantity by mass or volume of liquid nitrogen produced, then a step of comparing the measured value with a predetermined threshold value, the switching from the admission step 80 to the step 93 taking place as soon as this threshold value.
  • the system operates to produce liquid nitrogen, but no longer in a closed circuit momentarily, the reintroduced nitrogen gas being isothermally compressed within the compressor 18 (step 98).
  • An operating cycle in the external intake mode is sufficient to put the circuit back under pressure for a few subsequent cycles in internal admission mode.
  • the nitrogen gas will be injected, already under pressure, for example in the pipe 19.
  • the admission step 93 and the compression step 98 are not required.
  • the amount of hot nitrogen from the compressor and introduced into the exchanger is therefore greater than the amount of cold non-liquefied nitrogen from the expander and introduced into the exchanger.
  • a direct intake cycle in the compressed nitrogen expander is implemented. This increases the amount of cold nitrogen introduced into the exchanger to improve the cooling of the compressed nitrogen.
  • the method thus comprises a step 99 of direct admission into the expander 23 of another part of the nitrogen gas compressed in the compressor 18.
  • the admission step 99 momentarily replaces the step 85 of intake of compressed nitrogen gas.
  • this portion of compressed nitrogen gas escapes from the compressor 18 via the outlet 182 and is conveyed into the expander 23 via the pipe 24 and the inlet 232.
  • the method also comprises a step 100 for expanding compressed nitrogen gas admitted directly into the expander 23.
  • This expansion induces the production of non-liquefied cold nitrogen which, after having been escaped from the expander (step 101), is then admitted into the exchanger via the pipe 20 and the inlet 163 to improve the efficiency of the exchanger.
  • the direct admission 99 into the nitrogen gas regulator 23 from the compressor 18 via the pipe 24 is implemented depending on the need for cooling in the exchanger 18.
  • a temperature sensor ⁇ may for example be placed at the 160 output of cooled compressed nitrogen from the exchanger to implement a step 800 for measuring the temperature of the cooled nitrogen at the outlet of the exchanger and a step 801 for comparing this temperature with a predetermined high temperature threshold , to control the implementation of step 99 of direct admission when this high threshold is reached.
  • the cooling of the compressed nitrogen inside the exchanger is thus maximized, which makes it possible to increase the subsequent production of liquid nitrogen in the expander.
  • the efficiency of the system is thus improved in terms of liquid nitrogen production.
  • step 99 direct admission a step 802 for comparing the measured temperature with a predetermined low temperature threshold is implemented. Step 99 direct admission is stopped when this low threshold is reached. The step 85 of admission of compressed nitrogen gas replaces the direct admission step 99.
  • An initialization phase must be implemented prior to the direct admission stage 99 in order to pressurize the line 24.
  • the orifice 182 is opened instead of the orifice 180 of the compressor in operation until the pressure in the pipe 24 reaches a predetermined threshold value. When this threshold value is reached, one goes into a stabilized operating phase.
  • the pipe 24 is kept under pressure by the opening of the outlet 182 of the compressor, the nitrogen may come from either the inlet 183 (when external nitrogen must be reintroduced into the system) from entry 181.
  • Two different regulators may be implemented, one to relax compressed nitrogen and then cooled circulating in the pipe 15, the other to relax the compressed nitrogen flowing in the pipe 24.
  • the two detents can then have places simultaneously.
  • One of this regulator will include an input 231 and an output 230.
  • the other will include an input 232 and an output 230.
  • Two compressors can be implemented.
  • One of these compressors comprises an input 181, an output 180 and optionally an input 183.
  • the other will include an input 181, an output 182 and optionally an input 183.
  • the two compressions in these compressors can have places simultaneously.
  • the first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expansion valve23, the exchanger 16, the two networks of pipes between the orifices 230, 181 and 231, 180, the separator 21 with the outlet 26 of liquid nitrogen and the inlet 183 of nitrogen gas.
  • Line 24 is in the second circuit.
  • the second circuit is composed of the second compressor 18 'and which then comprises the output 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' by the inlet 232 while a new pipe network 1, 2, 3 connects the outlet 230 'of the expander 23' through the exchanger 16 through the inlet 163 'and the outlet 162' to the inlet 18 of the second isothermal compressor 18 '.
  • the exchanger 16 is crossed by two pipes 2, and 16 '.
  • the two circuits composed mainly of two networks each are independent of one another and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which may comprise a gas other than nitrogen provides the cooling of exchanger 16 while the first circuit generates the liquid nitrogen by relaxing the cooled nitrogen in the exchanger and compressed in the compressor.
  • the cooling circuit compensates the liquid nitrogen produced and which does not participate in the cooling of the compressed nitrogen admitted into the exchanger.
  • the regulation of the cooling circuit is ensured by a temperature probe placed on the pipe 25 which feeds the expansion valve where the liquid nitrogen is generated.
  • the compressor 18 and the expander 23 can be driven by an electric motor, all connected by the same drive shaft.
  • While the compressor 18 'and the expander 23' can also be connected by another drive shaft and driven by another electric motor and rotating at a different speed, so as to be able to finely regulate the temperature of the compressed nitrogen which enters the regulator 23, this temperature can be near the point of liquefaction.
  • This variant consists in creating an external circuit for producing cold which passes through the heat exchanger used during the production of liquid nitrogen to cool the nitrogen gas compressed in the exchanger.
  • the invention relates to a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen and a mechanical system for producing liquid nitrogen.
  • the system may be reversible so that it can operate alternately in a motor mode as a mechanical energy production system and in a generator mode as a liquid nitrogen production system.
  • a mechanical non-reversible mechanical energy production system does not include, for example, the valve 14, the valve 21, the pipe 25, the pipe 26 and the orifices 231 and 1. It may or may not contain line 19 and orifice 181.
  • a mechanical system for producing non-reversible liquid nitrogen does not include, for example, the valve 14, the pipe 12, the pump 13 and the orifices 11 and 234.
  • a system for producing mechanical energy and producing liquid nitrogen that is to say a reversible system having a motor mode and a generator mode, comprises all the components necessary for operation in motor mode and in operating mode. generator, the valves 14 and 21 to make non-functional some pipes in each mode of operation.
  • a valve may be placed along the pipe 19 to allow in engine mode admission into the heat exchanger of ambient air and / or compressed gas from the regulator, and in generator mode the circulation between the outlet 162 of the exchanger and the inlet 181 of the compressor.
  • the system that compresses the gas that was used to vaporize the liquid nitrogen produces a large amount of compressed gas in a compact system. Indeed, the gas is compressed after being cooled since it is used to vaporize the liquid nitrogen.
  • this compressed gas can be injected into an existing expander, as for example into the engine cylinders of a vehicle in the intake phase.
  • the system according to the invention then constitutes a compressed gas generator that can perform the turbocharger function.
  • Such a compressed gas generation system could also for example supply a compressed air motor or a compressed air energy storage system.

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Abstract

L'invention concerne un système de production d'énergie mécanique comprenant au moins : un compresseur; un détendeur; un échangeur de chaleur; ledit système possédant un mode de fonctionnement moteur dans lequel ledit système comprend en outre : des moyens d'admission d'azote liquide sous pression dans une entrée d'admission d'azote liquide dudit échangeur, des moyens d'admission d'air ou d'azote gazeux dans une entrée d'admission d'air ou d'azote gazeux dudit échangeur, des moyens d'échappement d'azote vaporisé à une sortie d'azote vaporisé dudit échangeur et des moyens d'échappement d'air ou d'azote refroidi à une autre sortie d'air ou d'azote gazeux refroidi dudit échangeur; des moyens d'admission à l'intérieur dudit détendeur dudit azote vaporisé pour l'y détendre; des moyens d'admission dans ledit compresseur dudit air ou azote gazeux refroidi pour y produire de l'air ou azote gazeux comprimé; des moyens de détente dudit air ou azote gazeux comprimé; des moyens de réchauffage de l'air ou azote gazeux comprimé avant admission dans lesdits moyens de détente ou à l'intérieur desdits moyens de détente; des moyens de récupération d'énergie provenant de la détente dudit azote vaporisé et de la détente dudit air ou azote gazeux comprimé.

Description

Système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide, et procédé correspondant
1. Domaine de l'invention
L'invention concerne un système et un procédé de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide et/ou de production d'azote liquide ou d'autre gaz liquéfié.
Dans des variantes, l'invention concerne un système de stockage d'énergie sous la forme d'azote liquide ou d'autres gaz liquide comme de l'air.
2. Art antérieur
La demande internationale de brevet portant le numéro
WO-Al-2014/154715, décrit un système mécanique réversible pouvant fonctionner selon deux modes, à savoir :
un mode générateur d'azote liquide lors de la mise en œuvre duquel de l'azote liquide est produit et stocké, et
- un mode moteur lors de la mise en œuvre duquel l'azote liquide préalablement produit et stocké est consommé pour produire de l'énergie mécanique, pouvant par exemple être exploitée pour entraîner un alternateur et produire du courant électrique ou pour mouvoir un véhicule.
En mode générateur, le système comprend un compresseur à piston dans lequel est admis de l'azote gazeux afin d'y être comprimé. L'azote comprimé est introduit dans un échangeur dans lequel il est refroidi avant d'être admis dans un détendeur à piston dans lequel il est détendu et en partie liquéfié. L'azote liquide produit est stocké. L'azote non liquéfié à l'intérieur du détendeur est admis dans l'échangeur de chaleur pour refroidir l'azote gazeux comprimé provenant du compresseur pour être de nouveau admis dans le compresseur.
En mode moteur, l'azote liquide, pompé sous haute pression, est vaporisé dans un échangeur puis admis dans un premier détendeur à piston (qui fait office de détendeur où se forme l'azote liquide en mode générateur) puis dans un deuxième détendeur à piston (qui fait office de compresseur basse pression en mode générateur). Les pistons sont reliés au même vilebrequin qui est entraîné en rotation du fait de la détente, à l'intérieur des détendeurs, de l'azote vaporisé.
La mise en œuvre de tels modes générateur et moteur permet de stocker de l'énergie en grande quantité en produisant de manière simple et efficace de l'azote liquide et en restituant de l'énergie mécanique à partir dudit azote liquide par exemple pour entraîner un alternateur et produire du courant électrique ou pour mouvoir un véhicule...
Il reste toutefois possible d'améliorer encore davantage le rendement du mode générateur afin de produire une quantité plus importante d'azote liquide à chaque détente, et le rendement du mode moteur afin de produire une quantité plus importante d'énergie mécanique à chaque détente.
3. Objectifs de l'invention
L'invention a notamment pour objectif d'apporter une solution efficace à au moins certains de ces différents problèmes.
En particulier, selon au moins un mode de réalisation, un objectif de l'invention est d'augmenter le rendement en mode moteur d'un système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide ou autre gaz liquéfié.
Un autre objectif de l'invention est, selon au moins un mode de réalisation, d'augmenter le rendement en mode générateur d'un système mécanique de production d'azote liquide ou autre gaz liquéfié.
Notamment, l'invention a pour objectif, selon au moins un mode de réalisation, de fournir un tel système qui soit simple et/ou efficace et/ou robuste et/ou bon marché.
Un autre objectif de l'invention est, dans au moins un mode de réalisation, d'augmenter le rendement global et de réduire le coût du système de stockage d'énergie tant en terme de stockage qu'en terme de restitution d'énergie par la combinaison des trois objectifs précédemment cités.
4. Présentation de l'invention
Pour ceci, l'invention propose un système de production d'énergie mécanique comprenant au moins :
un compresseur ;
un détendeur ;
un échangeur de chaleur ;
ledit système possédant un mode de fonctionnement moteur dans lequel ledit système comprend en outre :
des moyens d'admission d'azote liquide sous pression dans une entrée d'admission d'azote liquide dudit échangeur, des moyens d'admission d'air ou d'azote gazeux dans une entrée d'admission d'air ou d'azote gazeux dudit échangeur, des moyens d'échappement d'azote vaporisé à une sortie d'azote vaporisé dudit échangeur et des moyens d'échappement d'air ou d'azote refroidi à une autre sortie d'air ou d'azote gazeux refroidi dudit échangeur ;
- des moyens d'admission à l'intérieur dudit détendeur dudit azote vaporisé pour l'y détendre ;
des moyens d'admission dans ledit compresseur dudit air ou azote gazeux refroidi pour y produire de l'air ou azote gazeux comprimé ;
des moyens de détente dudit air ou azote gazeux comprimé ;
- des moyens de réchauffage de l'air ou azote gazeux comprimé avant admission dans lesdits moyens de détente ou à l'intérieur desdits moyens de détente ;
des moyens de récupération d'énergie provenant de la détente dudit azote vaporisé et de la détente dudit air ou azote gazeux comprimé. Au sens de l'invention, le terme azote gazeux ou liquide signifie essentiellement composé d'azote mais pouvant comprendre une faible proportion d'autres éléments et une teneur en oxygène plus faible mais suffisante si l'on veut faire une combustion. La teneur en azote du fluide considéré sera préférentiellement comprise entre 90 et 98 %.
Cependant, il est possible d'utiliser l'invention avec de l'air. Dans ce cas, l'invention peut être utilisée comme liquéfacteur d'air simple et économique et pour une utilisation autre que le stockage d'énergie.
Ainsi, selon cet aspect de l'invention, le refroidissement d'air ou d'azote gazeux dans l'échangeur suivit d'une compression de préférence adiabatique puis d'une détente de celui-ci, avec un apport d'énergie thermique avant et/ou pendant la détente, avec un volume nettement plus important, par exemple de l'ordre de quatre fois, produit un surcroit d'énergie mécanique.
Ceci permet de récupérer l'énergie mécanique résultant du changement de phase et du réchauffement de l'azote liquide et ainsi d'augmenter le rendement en mode moteur par rapport à une détente simple de l'azote liquide après mise sous pression et vaporisation.
5. Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 illustre un schéma d'un système de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide selon une variante simplifiée de l'invention ;
la figure 2 illustre un schéma d'un système de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide selon une variante évoluée de l'invention ; les figures 3 et 4 illustrent des moyens de réchauffage ou de refroidissement en amont et dans un détendeur ou un compresseur respectivement simple ou étagé ;
la figure 5 illustre un schéma d'un système de production d'azote liquide selon la variante évoluée de l'invention ;
la figure 6 illustre un logigramme d'un procédé de production d'énergie mécanique selon l'invention
- la figure 7 illustre un logigramme de la phase de mise en route d'un procédé de production d'azote liquide selon l'invention ;
les figures 8 et 8 bis illustrent la phase de fonctionnement stabilisé d'un procédé de production d'azote liquide selon l'invention ;
- la figure 9 illustre une variante d'un système selon la variante évoluée de l'invention comprenant plusieurs compresseurs ou détendeurs ;
la figure 10 illustre une variante d'un système selon la variante simplifié de l'invention comprenant un compresseur/détendeur étagé avec deux chambres de détente basse pression.
6. Description de modes de réalisation particuliers
6.1. Production d'énergie mécanique
6.1.1. Système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide
L'invention concerne un système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide.
i. Version simplifiée
En référence à la figure 1, on présente un tel système dans une version simplifiée.
Un tel système comprend une canalisation 300 d'azote liquide sous pression qui débouche dans une entrée 301 d'azote liquide d'un échangeur de chaleur 302. L'échangeur de chaleur 302 comprend une sortie d'azote vaporisé et réchauffé 303 qui est reliée par une canalisation 304 à une entrée d'azote vaporisé réchauffé 305 d'un compresseur/détendeur 306. L'échangeur de chaleur 302 comprend une entrée d'air ambiant 311.
L'échangeur 302 est traversé par la canalisation 302' qui part de l'entrée 301 de l'échangeur jusqu'à la sortie 303 de l'échangeur. La canalisation 302' sert de surface d'échange thermique dans l'échangeur avec le fluide qui la traverse intérieurement, l'azote liquide et le fluide qui la parcours extérieurement, l'air ou l'azote. Elle peut être constituée d'un ensemble de plaques empilées les unes sur les autres et qui forment des conduits ou bien encore, être constituée de multiples canalisations reliées à l'entrée 301 et la sortie 303 de l'échangeur.
Le compresseur/détendeur 306 comprend une sortie d'échappement 307 d'air ou d'azote gazeux détendu. Il comprend une entrée 308 d'air refroidi qui est reliée par une canalisation 309 à une sortie 310 d'air refroidi de l'échangeur 302.
Le compresseur/détendeur 306 peut par exemple être un système comprenant au moins un piston 314 mobile dans une chambre 315 et relié à un vilebrequin 316 par une bielle 317. Ce vilebrequin peut par exemple être relié à un alternateur 318 pour produire du courant électrique, servir à la mise en mouvement d'un véhicule ou autre.
Plutôt que d'être relié à un système de type bielle manivelle, le piston du compresseur/détendeur peut être relié à un moteur ou alternateur électrique linéaire.
Le système comprend des moyens de réchauffage de l'azote vaporisé avant admission dans le détendeur 306 ou de réchauffage à l'intérieur du détendeur 306. Ils pourront comprendre un réchauffeur 500 placé sur la canalisation 304. Ils pourront alternativement ou en complément comprendre des moyens d'injection de fluide 313 dans le détendeur pour assurer le réchauffage.
Dans une variante (représentée en pointillés sur les figures 1 et 10), l'entrée 311 peut être reliée directement à une autre sortie d'azote sous pression (pression résiduel de la détente) 312 du compresseur/détendeur 306 au moyen d'une canalisation 31 . Comme cela ressortira plus clairement par la suite en relation avec la description du fonctionnement du système, ceci permet de réduire la taille du système (notamment l'échangeur 302, le compresseur/détendeur 306). Dans une variante, qui peut être combiné à la variante précédente, le compresseur/détendeur 306 (figure 1) peut être étagé pour comprimer ou détendre en plusieurs fois à des pressions différentes, selon le principe représenté à la figure 4. Plusieurs détendeurs/compresseurs (deux ou plus) pourront ainsi être mis en œuvre avec des moyens pour admettre dans un compresseur/détendeur le fluide provenant d'un autre détendeur/compresseur en vue de le détendre ou comprimer à une pression différente que dans le précédent.
Pour deux étages de compresseur/détendeur, le compresseur/détendeur haute pression comprendra outre un orifice supplémentaire avec la canalisation qui le relie a un orifice supplémentaire du détendeur basse pression, les orifices d'admission 308, et 305, le compresseur détendeur/basse pression comprendra les orifices d'échappements 312 et 307, (chacun des orifice 308, 305, 312, 307 étant reliés à leur canalisation respective selon la figure 1).
Dans une autre variante selon la figure 10 et par rapport à la variante précédente où le compresseur /détendeur est étagé, le deuxième étage basse pression peut comporter deux détendeurs 306' et 306" chacun reliés à l'étage haute pression par les canalisations 400 et 400' elles-mêmes connectés aux orifices 600, 601, 602, 603. L'un des détendeurs basse pression pourra comporter un échappement à l'air libre par la sortie 307 et l'autre détendeur basse pression, un échappement par la sortie 312 qui peut être reliée à l'entrée de l'échangeur 311 par la canalisation 311 ' comme indiqué dans une variante précédente.
Dans cette variante, les moyens de réchauffage de l'azote vaporisé avant admission dans un détendeur ou de réchauffage à l'intérieur d'un détendeur peuvent être disposés dans chacun des détendeurs compresseurs et alternativement ou en complément sur la canalisation d'admission de chacun d'eux. Ainsi sur la figure 10, les réchauffeurs externes 500, 501 et 502 sont placés sur les canalisations 304, 400 et 400', les réchauffeurs interne 313, 313' et 313 " sont placés à l'intérieur des compresseur/détendeur 306, 306' et 306".
Ces moyens de réchauffage peuvent être par exemple assurés par l'injection directe d'un fluide énergétique tel que de l'essence avec une combustion ou par un fluide possédant une chaleur massique importante tel que de l'eau. Dans les variantes dans lesquelles le réchauffage se fait à l'extérieur du détendeur, il peut être obtenu au moyen d'un échangeur de chaleur réchauffé par un fluide caloporteur lui-même réchauffé par une source de chaleur : concentration solaire, combustion gaz ou essence.
Ce réchauffage augmente le volume du gaz à détendre et diminue la consommation d'azote liquide pour la même quantité d'énergie mécanique produit.
Une sonde de pression P est placée optionnellement sur la canalisation 31 et une sonde de température T° est placée optionnellement sur la canalisation 304.
ii. Version évoluée
En référence à la figure 2, on présente un tel système dans une version plus évoluée.
Un tel système comprend un réservoir d'azote liquide 10.
Ce réservoir 10 comprend une sortie d'azote liquide 11 qui est reliée à une canalisation 12 entre deux portions de laquelle est placée une pompe 13. La pompe 13 peut être placée dans le réservoir 10. Elle est optionnelle la pression pouvant être obtenue par le réchauffement du réservoir par exemple.
La canalisation 12 débouche dans une vanne 14.
La vanne 14 comprend une sortie qui est reliée par une canalisation 15 à l'entrée d'admission d'azote liquide 160 d'un échangeur de chaleur 16.
La vanne 14 est optionnelle et les canalisations 12 et 15 pourront constituer une unique canalisation lorsque la vanne 14 ne sera pas mise en uvre.
L'échangeur de chaleur 16 comprend une sortie 161 d'azote vaporisé réchauffé.
L'échangeur 16 est traversé par la canalisation 16' qui part de l'entrée 160 de l'échangeur jusqu'à la sortie 161 de l'échangeur. La canalisation 16' sert de surface d'échange thermique dans l'échangeur avec le fluide qui la traverse intérieurement, l'azote liquide et le fluide qui la parcours extérieurement, l'air ou l'azote. Elle peut être constituée d'un ensemble de plaques empilées les unes sur les autres et qui forment des conduits ou bien encore, être constituée de multiples canalisations reliées à l'entrée 160 et la sortie 161 de l'échangeur.
La sortie d'azote vaporisé réchauffé 161 est reliée à une canalisation 17 qui débouche à l'entrée 180 d'azote vaporisé d'un détendeur 18 et porte optionnellement une sonde de température "Γ.
L'échangeur de chaleur 16 comprend une entrée d'admission d'air 162 préférentiellement à température ambiante ou inférieure. Cette entrée 162 peut optionnellement et alternativement être reliée par une canalisation 19 à une sortie optionnelle d'azote gazeux sous pression (pression résiduelle de la détente) 181 du détendeur 18.
L'échangeur de chaleur 16 comprend une sortie 163 d'air ou d'azote refroidi. Cette sortie est reliée à une canalisation 20 qui débouche dans une vanne 21.
La canalisation 20 comporte optionnellement une sonde de température T.
La vanne 21 est reliée par une canalisation 22 à une entrée d'admission d'air ou d'azote refroidi 230 d'un compresseur adiabatique 23.
La vanne 21 est optionnelle et les canalisations 20 et 22 pourront constituer une unique canalisation lorsque la vanne 21 ne sera pas mise en œuvre.
Le compresseur adiabatique 23 comprend une sortie 232 d'air ou d'azote comprimé.
La sortie d'air ou d'azote comprimé 232 est reliée par une canalisation 24 à une entrée d'air ou d'azote comprimé 182 du détendeur 18.
Le détendeur 18 comprend une sortie d'échappement d'azote gazeux 183. La vanne 14 est optionnellement reliée à une canalisation 25 optionnelle qui est reliée à un orifice 231 optionnel du compresseur adiabatique 23. La vanne 21 est optionnellement reliée à une canalisation 26 optionnelle, reliée à un orifice 1 optionnel, du réservoir d'azote liquide 10 optionnel. Ces éléments optionnels ne sont pas utiles pour la production d'énergie mécanique. Comme il sera décrit plus tard, ils le sont pour la production d'azote liquide.
Le détendeur 18 et le compresseur adiabatique 23 comprennent chacun un arbre d'entraînement 184, 233.
Le système comprend un arbre de sortie 27. Celui-ci peut par exemple être relié à un alternateur 28 pour produire du courant électrique, servir à la mise en mouvement d'un véhicule ou autre.
L'arbre d'entraînement 184 du détendeur 18 constitue ou est relié à l'arbre de sortie 27 du système directement ou par une transmission.
L'arbre d'entrainement 184 du détendeur 18 est préférentiellement relié à celui du compresseur adiabatique 23 directement ou par une transmission de sorte que le compresseur adiabatique 23 est animé par le détendeur 18. Dans le cas contraire, des moyens moteurs auxiliaires doivent être mis en œuvre pour entraîner l'arbre d'entrainement du compresseur 23.
L'arbre d'entrainement 233 du compresseur 23, l'arbre d'entrainement 184 du détendeur 18 et l'arbre de sortie 27 du système peuvent constituer un seul et même arbre, comme cela est représenté sur la figure 2. Dans ce cas, le détendeur entraine en mouvement à la fois le compresseur adiabatique et l'arbre de sortie.
Le détendeur 18 et le compresseur adiabatique 23 comprennent chacun un ou plusieurs pistons 185, 235 montés mobiles en translation dans une ou plusieurs chambres 186, 236 et reliés au moyen de bielles 187, 237 à un vilebrequin 188, 238. Le vilebrequin du détendeur constitue l'arbre d'entrainent du détendeur et le vilebrequin du compresseur constitue l'arbre d'entraînement du compresseur.
Le compresseur et le détendeur partage préférentiellement le même vilebrequin qui constitue ou est relié à l'arbre de sortie du système.
Alternativement, le détendeur et le compresseur pourront chacun être constituée d'une turbine comprenant un stator logeant un rotor comprenant respectivement l'arbre d'entrainement du détendeur et l'arbre d'entraînement du compresseur. L'arbre du rotor du compresseur, l'arbre du rotor du détenteur et l'arbre de sortie pourront constituer un unique et même arbre.
Plutôt que d'être relié à un système de type bielle manivelle, les pistons du compresseur et/ou du détendeur peuvent être reliés à un moteur ou alternateur électrique linéaire.
Le compresseur et le détendeur pourront permettre de réaliser des détentes et/ou des compressions étagées. Dans ce cas, le compresseur et le détendeur seront étagés pour comprimer ou détendre en plusieurs fois à des pressions différentes, selon le principe représenté à la figure 4. Plusieurs détendeurs/compresseurs (deux ou plus) pourront ainsi être mis en uvre avec des moyens pour admettre dans un compresseur/détendeur le fluide provenant d'un autre détendeur compresseur en vue de le détendre ou comprimer à une pression différente que dans le précédent.
A l'intérieur du détendeur 18 et du compresseur 23 se produit successivement une pluralité de cycles qui seront décrits plus en détails par la suite en relation avec la description du procédé de production d'énergie mécanique.
Le système selon l'invention comprend bien évidemment des moyens de commande pour piloter l'ouverture et la fermeture des différents orifices (entrées, sorties) du détendeur et du compresseur afin de synchroniser ces cycles et leurs différentes phases (admission, détente, compression, échappement). De tels moyens sont connus en soit et non sont pas décrits en détails.
Le système comprend des moyens de réchauffage de l'azote vaporisé et/ou de l'air ou azote gazeux comprimé avant admission dans le détendeur ou de réchauffage à l'intérieur du détendeur.
En référence à la figure 3, de tels moyens de réchauffage comprennent un système de chauffe externe 40 placé sur les canalisations 17 et/ou 24. Ils peuvent alternativement ou en complément comprendre un système de chauffe interne 41 permettant l'injection de fluide dans le détendeur qui assure le réchauffement.
Dans les différentes variantes, les moyens de réchauffage augmentent la température du gaz par exemple par l'injection directe d'un fluide chaud comme de l'eau sans combustion ou d'un fluide avec combustion tel que de l'essence. Dans les variantes dans lesquelles le réchauffage se fait à l'extérieur du détendeur, il peut être obtenu au moyen d'un échangeur de chaleur réchauffé par un fluide caloporteur lui-même réchauffé par une source de chaleur : concentration solaire, combustion gaz ou essence. Il pourra également s'agir d'un système de réchauffement des parois du détendeur. Ceci est applicable dans le cadre de la version simplifiée.
La figure 4 illustre une variante selon laquelle le détendeur est étagé, c'est- à-dire qu'il comprend plusieurs détendeurs 18, 18' placés en série, l'échappement d'azote vaporisé partiellement détendu 181 de l'un (18) étant relié à l'admission d'azote vaporisé partiellement détendu 180' de l'autre (18') par une canalisation 42. Les entrés/sortie 18 (optionnellement relié à l'orifice 162 de l'échangeur 16 par la canalisation 19) et 183 sont disposées dans le détendeur à basse pression 18' et les entrés/sortie 180 et 182 sont disposées dans le détendeur à haute pression 18.
Dans ce cas, les moyens de réchauffage comprennent un système de chauffe externe 40 placé sur les canalisations 17 et/ou 24. Ils peuvent alternativement ou en complément comprendre un système de chauffe interne 41 permettant l'injection de fluide dans le détendeur (fluide chaud comme de l'eau sans combustion à l'intérieur du détendeur ou fluide avec combustion à l'intérieur du détendeur) qui assure le réchauffement. Ils peuvent comprendre également un système de chauffe externe 43 placé sur la ou les canalisations 42 et/ou un système de chauffe interne 44 (du type du système 41) placé dans le ou les détendeurs 18'. Il pourra également s'agir d'un système de réchauffement des parois du ou des détendeurs.
Un système tel que celui décrit en relation avec la figure 4 peut également permettre de réaliser un compresseur étagé en plaçant plusieurs compresseurs 18' et 18 en série. Dans ce cas, les moyens de réchauffage interne et/ou externe sont en fait des moyens de refroidissement.
Dans une variante, dans laquelle la pression dans les canalisations 17 et 24 est sensiblement égale, ces deux canalisations pourront être reliées et déboucher dans la même et unique entrée 180 ou 182.
Dans une autre variante dans laquelle les pressions à l'intérieur des canalisations 17 et 24 seront différentes, deux détendeurs pourront être mis en œuvre, l'un dans lequel débouche la canalisation 17 et l'autre dans lequel débouche la canalisation 24.
Dans une autre variante, la détente de l'air ou de l'azote refroidi pourra avoir lieu après compression dans le compresseur 23 qui fera alors office de détendeur après la phase de compression.
L'énergie mécanique due à la détente à l'intérieur du compresseur 23 sera alors récupérée au niveau de son arbre d'entraînement. Le compresseur 23, qui sera alors un compresseur/détendeur, comprendra un orifice supplémentaire 234 pour l'échappement de l'air ou azote froid comprimé dans celui-ci et des moyens de réchauffage dans le détendeur/compresseur et/ou sur la canalisation 24.
Le réservoir, les canalisations et la vanne qui y sont reliées sont optionnels. Ce qui importe c'est que le système comprenne une entrée d'azote liquide destinée à être reliée à un dispositif d'alimentation en azote liquide sous pression.
6.1.2. Procédé de production d'énergie mécanique
Un procédé de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide va à présente être décrit en relation avec la figure 6.
i. Version simplifiée
Le procédé décrit dans ce paragraphe correspond à la mise en œuvre de la version simplifiée du système décrit en relation avec la figure 1 dans une variante dans laquelle le détendeur-compresseur de celui-ci comprend un ensemble chemise-piston dont le piston est relié à un vilebrequin.
A la mise en route du système, il est nécessaire de remplir d'azote gazeux (c'est-à-dire vaporisé) sous pression (par exemple 300 bar) la canalisation 302' de l'échangeur et la canalisation 304 qui est reliée au détendeur, avant d'envoyer l'azote liquide sous pression dans ces canalisations, ceci afin d'éviter de vaporiser une trop grande quantité d'azote liquide du fait que ces canalisations peuvent être à température ambiantes et ce qui aurait pour effet d'augmenter la pression dans le circuit plus que nécessaire.
Pour cela, il est possible de prévoir par exemple de mettre en œuvre une étape d'admission d'azote liquide dans la canalisation 302' (et qui constituent une réserve tampon avec la canalisation 304), par l'ouverture de l'orifice 301 afin d'introduire dans la canalisation 302' une petite quantité d'azote liquide qui une fois vaporisé et réchauffé établira le niveau de pression désiré.
La quantité d'azote liquide à introduire dans les canalisations 302' et 304 pour cette phase de mise en route est en rapport avec le volume de celles-ci et la pression désirée (environ 200/300 bar).
La phase de mise en route est suivie d'une phase de lancement du moteur puis d'une phase de fonctionnement stabilisé pendant lesquelles la pression dans les canalisations 302', 304 est régulée de sorte à la maintenir à un niveau de pression déterminé en jouant sur la quantité d'azote liquide admis par l'orifice
301 de l'échangeur et par rapport à la quantité d'air ou d'azote gazeux admis dans l'échangeur.
Lorsque les canalisations 304 et 302' sont pressurisés par l'azote gazeux, la phase de lancement du moteur est mise en œuvre.
Le piston se trouve initialement au point mort haut, l'entrée 305 est ouverte, les orifices 308, 307 et le cas échéant 312 sont fermés. Les orifices 301 et 303 est également ouverts tout au long de la phase de lancement et de la phase de fonctionnement stabilisé.
De l'azote liquide est admis (étape 501) sous pression (environ 200/300 bars) et à -195°c environ via la canalisation 300 dans l'entrée d'admission 301 de l'échangeur 302 puis la canalisation 302'.
L'azote liquide proche de -195°c est réchauffé à l'intérieur de l'échangeur
302 par l'air circulant dans l'échangeur et y est ainsi vaporisé et réchauffé jusqu'à atteindre une température proche de la température ambiante (étape 502). Ceci a pour effet de refroidir l'air ambiant dans l'échangeur à une température proche de la température de l'azote liquide qui a été introduit (-195°c) (étape 53). Il faut environ 1,7 kg d'air ambiant pour porter 1 kg d'azote liquide à température ambiant.
Une étape 504 d'admission, dans le détendeur 306, d'azote vaporisé et réchauffé à une température proche de la température ambiante est mise en œuvre. Pour cela, l'azote vaporisé et réchauffé à température ambiante s' échappant de l'échangeur de chaleur 302 par la sortie d'azote vaporisé 303 est acheminé dans le détendeur 306 via la canalisation 304 et l'entrée ouverte 305.
Bien entendu, les étapes 501 à 504 sont simultanées.
L'azote vaporisé introduit dans le détendeur 306 y subit une étape 505 de détente induisant la descente du piston vers son point mort bas et la mise en mouvement du vilebrequin : cette mise en mouvement constitue une étape 507 de récupération d'énergie mécanique.
Une étape de réchauffage 602 de l'azote sera mise en œuvre avant l'admission (environ 300/600°C) et/ou pendant la détente (environ 20 à 140°C si injection de fluide sans combustion) de manière à avoir préférentiellement une température à l'échappement égale ou supérieur à la température ambiante. Pour cela, les moyens de réchauffage 500 et/ou 313 seront mis en œuvre. Si le réchauffage a lieu avant l'admission, la détente sera préférentiellement adiabatique, si le réchauffage a lieu pendant la détente, la détente sera préférentiellement isotherme.
L'entrée 305 se ferme et la sortie 307 s'ouvre pour permettre l'échappement de l'azote détendu du détendeur 306 (étape 506) lors de la remontée du piston vers son point mort haut.
La sortie d'échappement 307 se referme. La phase de lancement du moteur se termine ainsi alors que la phase de fonctionnement stabilisée commence.
La phase de fonctionnement stabilisée commence par le choix d'un fonctionnement en mode détente ou d'un fonctionnent en mode compression.
Pour vaporiser convenablement l'azote liquide dans l'échangeur, une certaine quantité d'air doit y être introduite. A défaut, la température de l'azote vaporisé sortant de l'échangeur n'est pas suffisamment élevée.
Pour s'assurer que la température de l'azote vaporisé est suffisante, une étape 65 de choix d'un mode détente ou d'un mode compression est mise en œuvre.
Selon une première variante, cette étape 65 de choix consiste à mesurer la température l'azote à l'intérieur de la canalisation 300 au niveau de la sortie 303 de l'échangeur ou de la canalisation 304.
Lorsque la température mesurée atteindra un seuil prédéterminé signalant que la température suffisante est atteinte, le procédé se poursuivra par une mise en uvre du mode détente.
Lorsque la température mesurée n'atteindra pas ce seuil prédéterminé, c'est-à-dire que l'azote est insuffisamment réchauffé, le procédé se poursuivra par la mise en œuvre du mode compression.
Le mode détente comprend une étape 50 d'admission de l'azote liquide sous pression (environ 200/300 bars) et à -195°c environ via la canalisation 300 dans l'entrée d'admission 301 de l'échangeur 302 puis la canalisation 302'.
L'azote liquide proche de -195°c est réchauffé à l'intérieur de l'échangeur 302 par l'air circulant dans l'échangeur et y est ainsi vaporisé et réchauffé jusqu'à atteindre une température proche de la température ambiante (étape 52). Ceci a pour effet de refroidir l'air ambiant dans l'échangeur à une température proche de la température de l'azote liquide qui a été introduit (-195°c) (étape 53). Il faut environ 1,7 kg d'air ambiant pour porter 1 kg d'azote liquide à température ambiant.
Une étape 54 d'admission, dans le détendeur 306, d'azote vaporisé et réchauffé à une température proche de la température ambiante est mise en œuvre.
Pour cela, l'azote vaporisé et réchauffé à température ambiante s'échappant de l'échangeur de chaleur 302 par la sortie d'azote vaporisé 303 est acheminé dans le détendeur 306 via la canalisation 304 et l'entrée ouverte 305.
Bien entendu, les étapes 51 à 54 sont simultanées.
L'azote vaporisé introduit dans le détendeur 306 y subit une étape 55 de détente induisant la descente du piston vers son point mort bas et la mise en mouvement du vilebrequin : cette mise en mouvement constitue une étape 57 de récupération d'énergie mécanique.
Une étape de réchauffage 62 de l'azote sera mise en œuvre avant l'admission (environ 300/600°C) et/ou pendant la détente (environ 20 à 140°C si injection de fluide sans combustion) de manière à avoir une température à l'échappement préférentiellement égale ou supérieur à la température ambiante. Pour cela, les moyens de réchauffage 500 et/ou 313 seront mis en œuvre. Si le réchauffage a lieu avant l'admission, la détente sera préférentiellement adiabatique, si le réchauffage a lieu pendant la détente, la détente sera préférentiellement isotherme. L'entrée 305 se ferme et la sortie 307 s'ouvre pour permettre l'échappement de l'azote détendu du détendeur 306 (étape 56) lors de la remontée du piston vers son point mort haut.
La sortie d'échappement 307 se referme.
Le mode compression comprend une mise en œuvre simultanée des étapes suivantes :
étape 51 d'admission dans l'échangeur d'air ambiant ;
étape 53 de refroidissement de l'air dans l'échangeur ;
étape 53' d'admission dans le compresseur.
Pour la mise en œuvre des étapes 51, 53 et 53', le piston se déplace de nouveau vers son point mort bas. L'air ambiant refroidi sortant de l'échangeur 302 par la sortie 310 subit une étape 53' d'admission dans le compresseur 306 en s'écoulant dans la canalisation 309 et en passant par l'entrée 308 du compresseur.
L'entrée 308 se referme et le piston remonte vers son point mort haut. L'air froid (-195° environ) subit alors une étape 58 de compression adiabatique (avec un rapport de pression d'environ 50) alors que le piston remonte vers son point mort haut dans le compresseur 302. Cette compression adiabatique a pour effet d'augmenter la température de l'air jusqu'à la température ambiante.
L'air comprimé est conservé dans la chambre et sous l'effet de la pression à l'intérieur du compresseur, le piston se déplace de nouveau vers son point mort bas, alors que l'air comprimé s'y détend (étape 59). Une étape de réchauffage 63 de l'air sera mise en œuvre pendant la détente afin que celle-ci soit préférentiellement isotherme. Pour cela, les moyens de réchauffage 313 seront mis en œuvre.
Cette détente induit la mise en mouvement du piston et la rotation de vilebrequin et ainsi la récupération d'énergie mécanique (étape 61). Lorsque le piston arrive au point mort bas, l'orifice 307 s'ouvre puis le piston remonte vers son point mort haut. L'air qui possède encore une certaine pression, s'échappe alors du compresseur (étape 60) dans l'air ambiant.
La sortie d'échappement 307 se referme.
A l'issue du mode détente comme à celle du mode compression, une nouvelle étape 65 de choix du mode détente ou du mode compresseur est mise en œuvre, puis un nouveau cycle est initié. Selon cette première variante, l'étape 65 de choix entre le mode compression et le mode détente est optimisée par un contrôle de la température de l'azote vaporisé à la sortie de l'échangeur. Selon une variante complémentaire ou alternative, cette étape 65 peut-être remplacée par une programmation du séquencement des modes détente et compression en fonction du besoin en réchauffement de l'azote liquide et basée sur la quantité d'air nécessaire au réchauffement et la vaporisation de l'azote liquide. En effet, on sait que pour vaporiser et réchauffer jusqu'à la température ambiante 1 kg d'azote liquide il faut environ 1,7 kg d'air à température ambiant, il faudra donc introduire alternativement dans le compresseur détendeur environ 1 kg d'azote liquide vaporisé réchauffé à 300 bar pour 1,7 kg d'air refroidit à 1 bar, voir jusqu'à 6 bar si l'air est récupéré à l'échappement comme nous le verrons dans une variante un peu plus loin.
Ces différentes étapes s'enchaînent (dans un temps très court) ainsi pour entraîner en mouvement le vilebrequin.
Plusieurs étapes identiques de compression ou détente peuvent se succéder, le but étant que l'azote liquide soit vaporisé et réchauffé à une température proche de la température ambiante avant d'être réchauffé par le réchauffeur ou d'être admis dans le détendeur et que l'air qui traverse l'échangeur avant d'être comprimé soit refroidit à une température proche de celle de l'azote liquide qui alimente le moteur.
Le refroidissement de l'air dans l'échangeur puis sa compression adiabatique permet de le détendre ultérieurement dans le détendeur avec un volume nettement plus important, par exemple de l'ordre de quatre fois, pour produire un surcroît d'énergie mécanique. Ceci permet de récupérer l'énergie mécanique résultant du changement de phase et du réchauffement de l'azote liquide et ainsi d'augmenter le rendement en terme de production d'énergie mécanique.
La mise en mouvement du vilebrequin du détendeur-compresseur 306 peut par exemple permettre d'entraîner en rotation un alternateur pour produire du courant électrique ou de mouvoir un véhicule.
Dans la variante selon laquelle l'entrée 311 est relié à la sortie 312 du détendeur/compresseur par la canalisation 31 , le gaz admis dans l'échangeur pour vaporiser l'azote liquide n'est plus de l'air ambiant mais provient de la récupération des gaz d'échappement du système en mode moteur. Dans ce cas, l'étape d'échappement 56 (506) consiste à faire s'échapper l'azote détendu non plus par la sortie 307, mais par la sortie 312, (l'échappement par la sortie 307 survient alternativement avec la sortie 312 lorsque la pression dans la canalisation 311', qui constitue un réservoir tampon, a atteint un seuil de pression déterminé, si la pression est suffisante dans la canalisation 31 , l'échappement à lieu à l'air libre par l'orifice 307, si la pression dans la canalisation 31 est insuffisante, l'échappement a lieu par la sortie 312 dans la canalisation 311'). Ces gaz d'échappement encore sous pression (environ 6 bars) sont introduit dans l'échangeur (étape 51) et servent à vaporiser l'azote liquide lors de l'étape 52. Ceci permet de faciliter les échanges de chaleur à l'intérieur de l'échangeur et d'en réduire la taille. En outre, on comprime davantage de gaz à chaque tour du moteur lors de l'étape de compression 58. La mise en œuvre de cette variante demande une étape de mise en route durant laquelle l'azote liquide, vaporisé, réchauffé et détendu dans le détendeur, s'échappe dans la canalisation 31 par l'orifice 308. Cette étape est répétée jusqu'à ce que la pression dans la canalisation 311' atteigne un seuil de pression prédéterminé, par exemple compris entre 1 à 6 bar. Puis, au cours du fonctionnement stabilisé, la pression dans la canalisation est maintenue en jouant sur la quantité d'azote admis par l'orifice 312, lorsque la pression dans la canalisation 31 est suffisante l'échappement à lieu alternativement à l'air libre par l'orifice 307.
L'autre avantage de cette variante est que si on récupère les gaz d'échappement à environ 6 bars et que l'on applique le rapport de pression de 50 pour la compression adiabatique de l'azote froid, on se retrouve avec une grande quantité d'azote à 300 bars à température ambiante dans la chambre de compression (lorsque le piston arrive au point mort haut). On peut donc laisser s'échapper ce gaz à haute pression par l'orifice 305 pour le stocker momentanément dans la canalisation 304, où se trouve l'azote liquide vaporisé qui est à la même pression de 300 bars et à la même température et poursuivre ultérieurement par plusieurs détentes de gaz provenant de la canalisation 304 avant de faire une nouvelle compression. Le fait de réintroduire les gaz de nouveau comprimé dans la canalisation 304 permet éventuellement de mettre en œuvre l'étape de réchauffage externe 62. Après l'étape 58 de compression, l'entrée 305 s'ouvre de sorte que tout ou partie de l'air ou de l'azote comprimé s'écoule dans la canalisation 304 où il rejoint l'azote vaporisé sous pression (étape 400 d'échappement). Si la totalité de l'air ou de l'azote comprimé s'écoule dans la canalisation 304, le cycle se poursuit par l'étape 54. Si seule une partie de l'air ou de l'azote comprimé s'écoule dans la canalisation 304, le cycle se poursuit par l'étape 59. La compression du gaz froid en provenance de l'échangeur peut générer la production d'un volume trop important de gaz comprimé dans le compresseur. Ce volume est tellement important qu'il n'est pas possible de le détendre complètement ensuite sauf à admettre une quantité de gaz froid plus faible, ou à relâcher dans l'air ambiant des gaz encore sous pression, ce qui réduit l'efficacité du système.
Dans une autre variante où le compresseur/détendeur est étagé avec une chambre à haute pression et une chambre à basse pression et qui peut être combinée avec la variante selon laquelle l'entrée 311 de l'échangeur est reliée à la sortie 312 du détendeur/compresseur par la canalisation 31 , la compression de l'air froid en provenance de l'échangeur (étape 58) peut se faire uniquement dans la chambre haute pression, à la suite de quoi une partie de l'air froid comprimé s'échappe du compresseur pour rejoindre l'azote vaporisé réchauffé dans la canalisation 304 (étape 400) tandis que l'autre partie est directement détendue dans la chambre haute pression avant de rejoindre la chambre basse pression pour être complètement détendue (étape 59).
Les étapes 51, 53, 53', 58 d'admission et de compression d'air froid dans l'échangeur et le détendeur, interviennent comme précédemment lorsque l'azote liquide dans la canalisation 304 est insuffisamment réchauffé.
Le compresseur/détendeur haute pression comprendra les orifices 308, et 305, le compresseur détendeur basse pression comprendra les orifices 312 et 307. Les deux compresseurs comporteront chacun un orifice supplémentaire relié par une canalisation faisant office de réservoir tampon et pouvant comporter un réchauffeur.
Dans une autre variante et selon la figure 10, l'étage basse pression pouvant comporter deux détendeurs dont l'un pourra comporter un échappement à l'air libre par la sortie 307 et l'autre un échappement par la sortie 312 relié à l'entrée de l'échangeur 311 par la canalisation 31 . Dans cette dernière variante, l'échappement aura donc lieu simultanément à l'air libre et dans la canalisation 31 . Cette dernière variante qui possède 3 cylindres peut- être transformé en générateur d'azote liquide selon les indications générales exprimés dans la partie générateur d'azote liquide selon la variante ou le compresseur peut être étagé. Pour cela on utilisera Le compresseur/détendeur basse pression 306' et le détendeur haute pression 306 en compresseur étagé isotherme tandis que le détendeur basse pression 313 " sera utilisé comme détendeur. ii. Version évoluée
Le procédé décrit dans ce paragraphe correspond à la mise en œuvre de la version évoluée du système décrit en relation avec la figure 2 dans une variante dans laquelle les détendeurs et compresseur comprennent chacun un ensemble chemise-piston dont le piston est relié à un vilebrequin.
A la mise en route du système, il est nécessaire de remplir la canalisation
16' de l'échangeur et la canalisation 17 (reliée au détendeur 18), d'azote gazeux sous pression (par exemple 300 bar) avant d'envoyer l'azote liquide sous pression dans ces canalisations, ceci afin d'éviter de vaporiser une trop grande quantité d'azote liquide du fait que ces canalisations sont à température ambiantes et ce qui pourrait avoir pour effet d'augmenter la pression dans le circuit plus que nécessaire.
Pour cela, il est possible de prévoir par exemple de mettre en œuvre une étape d'admission d'azote liquide dans la canalisation 16' (et qui constituent une réserve tampon avec la canalisation 17), par l'ouverture de l'orifice 160 afin d'introduire dans la canalisation 16' une petite quantité d'azote liquide qui une fois vaporisé et réchauffé établira le niveau de pression désiré.
La quantité d'azote liquide à introduire dans les canalisations 16' et 17 pour cette phase de mise en route est en rapport avec le volume de celles-ci et la pression désirée (par exemple 300 bar).
La phase de mise en route nécessite également de mettre la canalisation 24 sous une pression d'environ 50 bar (300 bar si option récupération gaz échappement à 6 bar) lors des premier tours et dans la mesure où le volume de la canalisation représente un certain volume par rapport à la cylindré du compresseur. La mise en route et donc la mise sous pression de cette canalisation permet d'atteindre le taux de compression nécessaire au réchauffement du gaz froid, lors du fonctionnement stabilisé, et qui provient de l'échangeur, par la compression adiabatique dans le compresseur. Pour cela il est possible de prévoir par exemple que l'air refroidi qui provient de l'échangeur 16 ou l'azote vaporisé détendu dans le détendeur 18 et qui arrive dans le compresseur adiabatique 23 via la canalisation 22 par l'orifice 230 est admis dans le compresseur 23 lors de la descente du piston 235 puis comprimé lors de la remonté du piston pour s'échapper dans la canalisation 24 et que le cycle est recommencé jusque la pression dans la canalisation 24 atteigne une valeur seuil prédéterminé et tout en continuant de maintenir la pression dans la canalisation 16' et 17.
La phase de mise en route est suivie d'une phase de fonctionnement stabilisé pendant laquelle la pression dans la canalisation 16', 17 est régulée de sorte à la maintenir à un niveau de pression déterminé en jouant sur la quantité d'azote liquide admis par l'orifice 160 de l'échangeur et par rapport à la quantité d'air ou d'azote gazeux admis dans l'échangeur.
La pression dans la canalisation est 24 est également régulé par exemple par une mesure de la pression à l'intérieur de celle-ci et en jouant sur la quantité de gaz qui rentre par l'orifice 232 du compresseur et qui sort par l'orifice 282 du détendeur.
Lorsque les canalisations 16', 17 et 24 sont pressurisées par l'azote gazeux, le fonctionnement stabilisé peut commencer.
En fonctionnement stabilisé, les orifices 160 et 161 sont ouverts.
Le piston du détendeur se trouve initialement au point mort haut, l'orifice 180 est ouvert. Les orifices 183, 181 et 182 sont fermés.
Le procédé comprend une étape de vaporisation d'azote liquide, dans l'échangeur de chaleur 16 dans lequel transite de l'air ambiant ou de l'azote sensiblement à température ambiante et encore sous pression provenant du détendeur 18 et qui est refroidi au cours de son passage à travers l'échangeur 16 par la canalisation 16'. L'azote gazeux obtenu lors de la vaporisation qui, étant donné la pression, est dans une phase critique (vapeur/liquide), est réchauffé avant d'être détendu.
Pour cela, de l'azote liquide à -195T environ est prélevé dans le réservoir
10 au moyen de la pompe 13 en sorte qu'il passe à travers la sortie 11 du réservoir et s'écoule dans les canalisations 12 et 15 jusqu'à être admis dans l'entrée d'admission 160 de l'échangeur 16, puis 16' (étape d'admission 50) à une pression proche de 300 bar environ. De l'air ambiant est admis via l'entrée 162 dans l'échangeur 16 (étape d'admission 51).
L'azote liquide dans la canalisation 16' est réchauffé à l'intérieur de l'échangeur 16 par l'air circulant dans l'échangeur et y est ainsi vaporisé (étape de vaporisation 52) et réchauffé à une température proche de la température ambiante, tandis que l'air circulant dans l'échangeur est refroidi (étape 53) à une température proche de la température à laquelle l'azote liquide est introduit dans l'échangeur (-195°C environ).
Le procédé comprend ensuite une étape 54 d'admission, dans le détendeur 18, d'azote vaporisée en provenance de l'échangeur 16 et qui se trouve à une pression proche de 300 bar environ et à une température par exemple proche de la température ambiante.
Pour cela, l'azote vaporisé s'échappant de l'échangeur de chaleur 16 par la sortie d'azote vaporisé 161 est acheminé dans le détendeur 18 via la canalisation 17 et l'entrée 180 d'azote vaporisé qui s'ouvre alors que le piston du détendeur se trouve au point mort haut.
Bien entendu, les étapes 50, 52 et 54 ont lieu simultanément.
L'azote vaporisé introduit dans le détendeur 18 y subit une étape 55 de détente induisant un déplacement du piston, vers son point mort bas, et la mise en mouvement de l'arbre d'entraînement 184 du détendeur, c'est-à-dire du vilebrequin. Ceci correspond à une étape de récupération d'énergie mécanique 57.
Une étape de réchauffage 62 (entre 300°C à 600°C environ) de l'azote sera mise en œuvre avant l'admission et/ou pendant la détente (10°c à 140°C si injection de fluide sans combustion). Pour cela, les moyens de réchauffage 40 et/ou 41 seront mis en œuvre.
Après que le piston a atteint le point mort bas, la sortie 183 s'ouvre et le piston remonte vers le point mort haut. L'azote vaporisé puis détendu subit alors une étape d'échappement 56 via la sortie 183.
Dans une variante dans laquelle la sortie 181 est reliée à l'entrée 162 de l'échangeur, la sortie 181 s'ouvre alternativement avec la sortie d'échappement à l'air libre 183, de tel manière à obtenir une pression constante (environ 1 à 6 bars) dans le réseaux entre l'orifice 181 et l'orifice 230 et pour assurer l'étape d'échappement 56.
Dans ce cas, l'azote en provenance de la sortie 181 du détendeur est admis sous pression (1 à 6 bar environ) via la canalisation 19 dans l'entrée 162 dans l'échangeur 16 au cours de l'étape d'admission 51, plutôt que de l'air ambiant. Lorsque la pression dans la canalisation 19 est suffisante l'échappement a lieu par l'orifice 183 à l'air libre.
La mise en œuvre de cette variante demande une étape de mise en route durant laquelle l'azote liquide, vaporisé, réchauffé et détendu dans le détendeur, s'échappe dans la canalisation 19 par l'orifice 181 (étape 56) sans être admis dans le compresseur. Cette étape est répétée jusqu'à ce que la pression dans le réseau entre l'orifice 181 et l'orifice 230 atteigne un seuil de pression prédéterminé, par exemple 1 à 6 bar. En fonctionnement stabilisé l'échappement à lieu alternativement par l'orifice 183 ou 181 de tel manière à maintenir la pression désiré dans le réseau entre l'orifice 181 et 230.
Selon cette variante, au cours de l'étape de vaporisation 52, l'azote liquide est alors réchauffé à l'intérieur de l'échangeur 16 par l'azote en provenance du détendeur circulant dans l'échangeur, l'azote en provenance du détendeur y étant refroidi pendant l'étape 53.
L'admission dans l'échangeur d'azote sous pression en provenance du détendeur plutôt que d'air ambiant permet d'augmenter l'efficacité de l'échangeur et donc de réduire la taille du système.
L'air ou l'azote refroidi sortant de l'échangeur 16 par la sortie 163 subit une étape d'admission 53' dans le compresseur 23 en s'écoulant dans les canalisations 20, 22 et en passant par l'entrée 230 du compresseur. Pour cela, l'entrée 230 s'ouvre alors que le piston du compresseur passe du point mort haut au point mort bas et que le piston du détendeur passe du point mort bas au point mort haut pendant l'étape d'échappement 56.
Bien entendu, les étapes 51, 53 et 53' ont lieu simultanément.
L'entrée 230 se referme et le piston remonte vers le point mort haut. L'air ou l'azote refroidi subit une étape 58 de compression dans le compresseur 23. Cette compression est préférentiellement adiabatique et a pour effet de réchauffer le gaz qui est à une température proche de -195°c par exemple, jusqu'à une température proche de la température ambiant du fait de la compression. La sortie 232 s'ouvre et l'air ou azote comprimé s'échappe ensuite du compresseur (avec une température proche de la température ambiante par exemple et qui est due à la compression) puis s'écoule dans la canalisation 24 faisant office de réservoir tampon au cours d'une étape d'échappement 58'. L'orifice 232 se ferme et le piston du compresseur retourne à son point mort bas alors que l'orifice 182 s'ouvre de sorte que cet air ou azote comprimé subisse une étape 54' d'admission dans le détendeur à travers l'entrée 182. Il y subit une étape de détente 59 induisant la descente du piston du détendeur à son point mort bas et la mise en mouvement de l'arbre d'entraînement 184 du détendeur (étape 61), puis d'échappement (étape 60) lors de la remontée du piston à son point mort haut alors que l'orifice 183 s'ouvre.
Une étape de réchauffage 62 de l'azote sera mise en œuvre avant l'admission et/ou pendant la détente. Pour cela, les moyens de réchauffage 40 et/ou 41 seront mis en œuvre.
Le refroidissement d'air ou d'azote gazeux dans l'échangeur (traversé par l'azote liquide qui provient de la pompe et du réservoir et s'y trouve vaporisé et réchauffé) suivit d'une compression de préférence adiabatique et d'une détente avec un apport d'énergie thermique dans le détendeur qui génère un volume de gaz nettement plus important, par exemple de l'ordre de quatre fois, produit un surcroit d'énergie mécanique.
Ceci permet de récupérer l'énergie mécanique résultant du changement de phase et du réchauffement de l'azote liquide et ainsi d'augmenter le rendement par rapport à une détente simple de l'azote liquide après mise sous pression et vaporisation.
Lorsque les pressions dans les canalisations 17 et 24 seront sensiblement égales (300 bars environ), l'admission dans le détendeur d'azote vaporisé et l'admission d'air ou azote comprimé pourront être simultanées. Ces canalisations pourront d'ailleurs être reliées entre elles pour réaliser une admission en une seule étape et en un seul point d'entrée. Lorsque les pressions dans ces deux canalisations sont différentes, la détente d'azote vaporisé et la détente d'air ou d'azote comprimée seront décalées dans le temps, la première détente ayant lieu avec le fluide à plus haute pression circulant dans celles-ci et la suivante avec le fluide à plus faible pression circulant dans celles-ci.
Lorsque les pressions dans ces deux canalisations sont différentes, deux détendeurs différents pourront être mis en œuvre, l'un pour détendre l'azote vaporisé, l'autre pour détendre l'air ou l'azote comprimé. Les deux détentes pourront alors avoir lieux simultanément. Si la pression dans la canalisation 19 est de 6 bars, automatiquement la pression à la sortie du compresseur avec un rapport de pression de 50 (pour obtenir le réchauffement nécessaire) sera 300 bars tandis que la pression de l'azote vaporisé sera de 300 bars.
La mise en mouvement du vilebrequin ou plus généralement de l'arbre d'entraînement 184 du détendeur 18 du fait de la détente de l'azote vaporisé en provenance de l'échangeur et de l'air ou azote comprimé en provenance du compresseur constitue une étape de récupération (ou de production) d'énergie mécanique.
Ces différentes étapes s'enchainent ainsi pour entrainer en mouvement le vilebrequin.
La mise en mouvement de l'arbre d'entraînement 184 du détendeur 18 peut par exemple permettre d'entraîner en rotation un alternateur 28 pour produire du courant électrique ou de mouvoir un véhicule. Lorsque l'arbre d'entrainement du détendeur et celui du compresseur sont reliés ou constitue un même arbre, l'énergie mécanique générée par le détendeur permet d'animer le compresseur. Dans le cas contraire, des moyens d'entrainement du compresseur doivent être mis en œuvre, comme par exemple un moteur électrique ou autre.
Dans une autre variante dans laquelle le compresseur 23 est un compresseur/détendeur, après l'étape 58 de compression, l'orifice 232 s'ouvre de sorte que tout ou partie de l'air ou azote comprimé s'écoule dans la canalisation 24 qui fait office de canalisation tampon.
Si la totalité de l'air ou de l'azote comprimé s'écoule dans la canalisation 24, le cycle se poursuit par une nouvelle admission dans le détendeur 23 de l'air ou de l'azote comprimé provenant de la canalisation 24 par l'orifice 232 puis une détente et un échappement par l'orifice 234.
L'air ou azote comprimé présent dans la canalisation 24 pourrait être en partie détendu dans le détendeur 23 et en partie dans le détendeur 18.
Si une partie de l'air ou azote comprimé reste dans le compresseur/détendeur sans s'écouler dans la canalisation tampon 24, le cycle comprend une détente dans le détendeur 23 de cet air ou azote comprimé puis et un échappement par l'orifice 234.
L'intérêt de détendre une partie du gaz dans le détendeur 23 est que si là machine est réversible en générateur d'azote liquide le compresseur 23 qui est alors réversible, doit représenter une cylindré plus importante que si il est utilisé en compresseur seul.
L'ensemble des canalisations et l'échangeur de chaleur constituent préférentiellement des réserves tampon de sorte à disposer des différents fluides nécessaires à chaque étape. Ceci permettra de synchroniser facilement les différentes étapes du procédé.
6.2. Production d'azote liquide
6.2.1. Système mécanique de production d'azote liquide
L'invention concerne un système mécanique de production d'azote liquide.
Des composants de ce système structurellement identiques à des composants du système de production d'énergie mécanique précédemment décrit en relation avec la figure 2 portent les mêmes numéros bien que leurs fonctions dans un système ou dans l'autre peuvent être différentes.
En référence à la figure 5, un tel système comprend un compresseur 18 isotherme. Ce compresseur 18 comprend :
une entrée d'air ou d'azote gazeux 183 ;
une première sortie d'air ou d'azote comprimé 180 ;
une deuxième sortie d'air ou d'azote comprimé 182 ;
- une entrée d'azote non liquéfié 181.
La première sortie d'air ou d'azote comprimé 180 est reliée par une canalisation 17 à l'entrée d'admission d'air ou d'azote comprimé 161 d'un échangeur de chaleur 16.
L'échangeur de chaleur 16 comprend une sortie d'air ou d'azote comprimé et refroidi 160. Cette sortie 160 est reliée à une canalisation 15 connectée à une vanne 14.
L'échangeur 16 est traversé par la canalisation 16' qui part de l'entrée 161 de l'échangeur jusqu'à la sortie 160 de l'échangeur. La canalisation 16' sert de surface d'échange thermique dans l'échangeur avec le fluide qui la traverse intérieurement, l'azote comprimé et le fluide qui la parcoure extérieurement l'azote froid qui provient du détendeur 23. La canalisation 16' peut être constituée d'un ensemble de plaques empilées les unes sur les autres et qui forment des conduits ou bien encore, être constitué de multiples canalisations reliées, donc, à l'entrée 161 et la sortie 160 de l'échangeur. La vanne 14 est reliée par une canalisation 25 à une entrée 231 d'air ou d'azote comprimé et refroidi d'un détendeur 23.
La vanne 14 est reliée à une canalisation 12 sur laquelle est montée une pompe 13 et qui est reliée à une sortie d'azote liquide 11 du réservoir 10. La vanne 14 ainsi que la canalisation 12, la pompe 13 et la sortie 11 sont optionnelles et ne sont pas utiles pour produire de l'azote liquide.
Le détendeur 23 comprend une entrée 232 d'air ou d'azote comprimé qui est reliée par une canalisation 24 à la deuxième sortie d'air ou d'azote comprimé 182 du compresseur 18.
Le détendeur 23 comprend une sortie 230 d'un mélange d'azote liquide et d'azote non liquéfié. Cette sortie 230 est reliée à une canalisation 22 qui débouche dans une vanne 21.
La vanne 21 intègre des moyens de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse.
La vanne 21 comprend une sortie reliée par une canalisation 26 à l'entrée d'azote liquide 11' du réservoir d'azote liquide 10.
La vanne 21 présente une sortie reliée à une canalisation 20 qui débouche à l'entrée d'azote non liquéfié 163 de l'échangeur de chaleur 16.
L'échangeur de chaleur 16 comprend une sortie d'azote non liquéfié réchauffé 162 qui est reliée par une canalisation 19 à l'entrée d'azote non liquéfié 181 du compresseur 18.
Le détendeur 23 et le compresseur 18 comprennent chacun un arbre d'entraînement 233, 184.
La sortie 234 n'est pas nécessaire.
Le système comprend un arbre de sortie 27.
Le système comprend des moyens d'entraînement en mouvement des arbres d'entraînement, comme par exemple un moteur électrique ou éolien 28.
L'arbre d'entraînement du détendeur est préférentiellement relié à celui du compresseur de sorte que les moyens d'entraînement sont communs au compresseur et au détendeur.
L'arbre d'entraînement du compresseur, l'arbre d'entraînement du détendeur et l'arbre de sortie du système peuvent constituer un seul et même arbre. Les moyens d'entraînement sont alors reliés à l'arbre de sortie et peuvent par exemple comprendre un moteur électrique 28 ou éolien. Le compresseur et/ou le détendeur peuvent être étagés pour comprimer ou détendre en plusieurs fois à des pressions différentes, selon le principe représenté à la figure 4. Plusieurs détendeurs/compresseurs (deux ou plus) pourront ainsi être mis en œuvre avec des moyens pour admettre dans un compresseur/détendeur le fluide provenant d'un autre détendeur compresseur en vue de le détendre ou comprimer à une pression différente que dans le précédent.
Le détendeur 18 et le compresseur 23 comprennent chacun un ou plusieurs pistons 185, 235 montés mobiles en translation dans une ou plusieurs chambres 186, 236 et reliés au moyens de bielles 187, 237 à un vilebrequin 188, 238. Le vilebrequin du détendeur constitue l'arbre d'entrainent du détendeur et le vilebrequin du compresseur constitue l'arbre d'entraînement du compresseur.
Plutôt que d'être relié à un système de type bielle manivelle, les pistons du compresseur et/ou du détendeur peuvent être reliés à un moteur ou alternateur électrique linéaire.
Le compresseur et le détendeur partage préférentiellement le même vilebrequin qui constitue ou est relié à l'arbre de sortie du système.
Alternativement, le détendeur et le compresseur pourront chacun être constituée d'une turbine comprenant un stator logeant un rotor comprenant respectivement l'arbre d'entraînement du détendeur et l'arbre d'entraînement du compresseur. L'arbre du rotor du compresseur, l'arbre du rotor du détenteur et l'arbre de sortie pourront constituer un unique et même arbre.
Le système comprend des moyens de refroidissement de l'azote comprimé dans le compresseur soit à l'intérieur du compresseur et/ou à l'échappement lorsque le compresseur est étagé. Les moyens de refroidissement permettent d'évacuer la chaleur générer par la compression et de réduire l'effort de compression de tel manière que le volume du gaz n'augmente pas.
Ces moyens de refroidissement sont préférentiellement identiques aux moyens de réchauffage du système en mode moteur qui sont alors réversibles.
Ils peuvent en tout état de cause être placés sensiblement aux mêmes endroits. Dans le cas d'une compression étagée, ils permettent un refroidissement entre chaque compression.
En référence à la figure 3, de tels moyens de refroidissement comprennent un système de refroidissement externe 40' placé sur les canalisations 17 et/ou 24.
Ils peuvent alternativement ou en complément comprendre un système de refroidissement interne 4 permettant l'injection de fluide dans le détendeur (fluide froid comme de l'eau) qui assure le refroidissement. Il peut également s'agir un système de refroidissement des parois du compresseur.
En référence à la figure 4, ils comprennent des moyens de refroidissement internes 44', 41' et/ou des moyens de refroidissement externes 43', 40'.
Dans une variante, deux détendeurs pourront être mis en œuvre. L'un de ces détendeurs comprendra une entrée 231 reliée à la canalisation 25 et une sortie 230 reliée à la canalisation 22. L'autre comprendra une entrée 232 reliée à la canalisation 24 et une sortie 230' reliée à la canalisation 25.
Dans une variante, deux compresseurs peuvent être mis en œuvre. L'un des compresseurs comprendra une entrée 181 reliée à la canalisation 19, une sortie 180 reliée à la canalisation 17 et le cas échéant une entrée 183. L'autre comprendra une entrée 18 reliée à la canalisation 19, une sortie 182 reliée à la canalisation 24 et le cas échéant une entrée 183.
Dans une variante illustrée à la figure 9, si deux détendeurs et deux compresseurs sont mis en œuvre, selon les variantes précédentes, il peut y avoir deux circuits allé et retour distincts.
Le premier circuit est composé du circuit d'origine avec le compresseur isotherme 18 et le détendeur adiabatique23, l'échangeur 16, les deux réseaux de canalisations entre les orifices 230 ,181 et 231,180, le séparateur 21 avec la sortie 26 d'azote liquide et l'entrée 183 d'azote gazeux. La canalisation 24 se retrouve dans le deuxième circuit.
Le deuxième circuit est composé du deuxième compresseur 18' et qui comprend alors, la sortie 182 reliée à la canalisation 24 elle-même reliée au deuxième détendeur 23' par l'entrée 232 tandis qu'un nouveaux réseau de canalisations 1, 2, 3 relie la sortie 230' du détendeur 23'en traversant l'échangeur 16 par l'entrée 163' et la sortie 162' jusqu' à l'entré 18 du deuxième compresseur isotherme 18'. L'échangeur 16 est donc traversé par deux canalisations 2, et 16'.
Les deux circuits composés principalement de deux réseaux chacun sont indépendants l'un de l'autre et peuvent alors fonctionner à des pressions différentes, le deuxième circuit qui est complètement fermé et qui peut comporter un autre gaz que de l'azote assure le refroidissement de l'échangeur 16 tandis que le premier circuit génère l'azote liquide en détendant l'azote refroidi dans l'échangeur et comprimé dans le compresseur. Le circuit de refroidissement compense l'azote liquide produit et qui ne participe pas au refroidissement de l'azote comprimé admis dans l'échangeur. La régulation du circuit de refroidissement peut être assurée par une sonde de température placée sur la canalisation 25 qui alimente le détendeur où est généré l'azote liquide. Le compresseur 18 et le détendeur 23 peuvent être entraînés par un moteur électrique reliés par le même arbre d'entraînement. Tandis que le compresseur 18' et le détendeur 23' peuvent être également reliés par un autre arbre d'entraînement et entraînés par un autre moteur électrique et tournant à une vitesse différente, de sorte à pouvoir réguler finement la température de l'azote comprimé qui entre dans le détendeur 23, cette température étant préférentiellement doit être proche du point de liquéfaction.
Comme il sera décrit plus loin en relation avec le procédé de production d'azote liquide, le système est conçu de sorte qu'il se produit, lors de sa mise en oeuvre, une succession de cycles dans le compresseur et dans le détendeur.
Le système selon l'invention comprend bien évidemment des moyens de commande pour piloter l'ouverture et la fermeture des différents orifices (entrées, sorties) du détendeur et du compresseur afin de synchroniser ces cycles et leurs différentes phases (admission, détente, compression, échappement). De tels moyens sont connus en soit et non sont pas décrits en détails.
Dans une variante et par rapport aux figures 5 et 9, l'entrée 183 n'est pas nécessaire, l'azote gazeux étant injecté, déjà sous pression, par exemple dans la canalisation 19.
6.2.2. Procédé de production d'azote liquide
Un procédé de production d'azote liquide va à présent être décrit en relation avec la figure 7.
En fonctionnement, le système comprend deux circuits reliés chacun au compresseur et au détendeur de telle sorte que l'azote y circule en circuit fermé.
Le premier circuit, fonctionnant à haute pression (par exemple entre 5 et 100 bars), relie les orifices 180 à 231. Le second circuit, fonctionnant à basse pression (par exemple entre 1 et 10 bars), relie les orifices 230 à 181. L'azote gazeux contenu dans le premier circuit sous pression au moyen du compresseur est détendu dans le deuxième circuit au moyen du détendeur.
Les pressions dans les deux circuits seront régulées de sorte à les maintenir à un niveau de pression prédéterminé en jouant sur les quantités de fluides admises dans le détendeur d'une part et de l'azote apporté dans le système par le compresseur d'autre part.
A la mise en route du système, une étape d'admission d'air ou d'azote 70 via l'entrée 183 et une étape de compression 72 dans le compresseur 18 sont mises en œuvre de sorte à alimenter le premier circuit (étape d'échappement 73) via l'orifice 180 pour le mettre sous pression. Pour cela, on fait fonctionner le compresseur 18 jusqu'à ce que la pression dans le premier circuit atteigne une valeur seuil prédéterminé (étape 74).
Une fois le premier circuit haute pression mis en pression, on remplit le deuxième circuit via le détendeur tout en maintenant la pression dans le premier circuit via le compresseur.
Pour cela, on continu d'admettre de l'air ou azote gazeux dans le compresseur (étape 70) et à le comprimer de façon isotherme dans le compresseur (étape 72) tout en mettent en œuvre une étape d'admission 76 dans le détendeur d'azote gazeux comprimé afin de l'y détendre (étape 79) puis de l'en extraire (étape d'échappement 790) afin de l'introduire dans le deuxième circuit via l'orifice 230. Ces étapes sont mises en œuvre en boucle jusqu'à ce que la pression à l'intérieur du premier circuit et la pression à l'intérieur du deuxième circuit atteignent leur valeur seuil prédéterminée respective (étapes 74 et 75). Dès que ces pressions sont atteintes, ce qui signifie que le système est stabilisé, l'étape d'admission 70 d'azote gazeux extérieur s'arrête.
Ceci constitue un exemple de phase de mise en route. Une autre mode de mise en route pourrait être mis en œuvre.
Au cours de cette phase de mise en route, l'azote en se détendant de façon adiabatique, se refroidi. Sa circulation dans le deuxième circuit induit donc un début de refroidissement de l'azote gazeux comprimé dans le premier circuit du fait que ces deux circuits passent par l'échangeur de chaleur.
Les premier et deuxième circuits constituent des réserves tampons. La phase de mise en route est suivie d'une phase de fonctionnement stabilisé dont la mise en œuvre permet de produire de l'azote liquide.
Au cours de la phase de fonctionnement stabilisé, l'étape d'admission d'azote ambiant 70 est stoppée. Le système fonctionne alors en circuit fermé.
Dans ce fonctionnement en circuit fermé, sont mises successivement en en boucle les étapes suivantes :
une étape d'admission 80 dans le compresseur d'azote non liquéfié réchauffé en provenance de l'échangeur 16 via la canalisation 19 et l'entrée 181 (la production de cet azote non liquéfié apparaîtra plus clairement par la suite ;
une étape 81 de compression isotherme dans le compresseur de l'azote non liquéfié ;
une étape 82 d'échappement du compresseur d'azote gazeux non liquéfié comprimé ;
une étape 83 d'admission de l'azote gazeux non liquéfié comprimé s'échappant du compresseur par la sortie 180 à l'entrée 161 de l'échangeur de chaleur 16 ;
une étape 84 de refroidissement à l'intérieur de l'échangeur de l'azote gazeux non liquéfié comprimé (elle sera plus clairement décrite ultérieurement) ;
une étape 85 d'admission, dans le détendeur 23, d'azote gazeux comprimé puis refroidi en provenance de l'échangeur de chaleur 16 : pour cela, l'azote gazeux comprimé puis refroidi s'échappe de l'échangeur de chaleur 16 par la sortie 160 puis est admis dans le détendeur 23 via l'entrée 231 ;
une étape de détente adiabatique 86 dans le détendeur de l'azote gazeux comprimé puis refroidi : cette détente induit la production d'azote liquide, la liquéfaction de l'azote dans le détendeur n'étant pas totale ; une étape d'échappement 87 d'un mélange d'azote liquide et d'azote non liquéfié par la sortie 230 du détendeur 23 ;
une étape 88 de séparation de phases permettant de séparer l'azote liquéfié de l'azote gazeux non liquéfié : le mélange d'azote liquide et d'azote non liquéfié est acheminé via la canalisation 22 dans la vanne 21 intégrant des moyens de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse ; une étape 89 de récupération d'azote liquide et éventuellement une étape d'acheminement de l'azote liquéfié dans le réservoir 10 via la canalisation 26 et l'entrée 1 ;
une étape 90 de récupération d'azote non liquéfié ;
une étape 91 d'admission dans l'échangeur de chaleur via l'entrée 163 de l'azote gazeux non liquéfié : la circulation de l'azote gazeux non liquéfié, qui est froid, dans l'échangeur permet de refroidir l'azote gazeux comprimé à l'étape 84 et donc de réchauffer l'azote gazeux non liquéfié
(étape 92).
Au cours de ce fonctionnement en circuit fermé, la production d'azote liquide induit une baisse de pression dans le circuit constitué du premier et du deuxième circuit. Pour compenser cette baisse de pression, de l'azote gazeux extérieur au circuit doit y être introduit. Dans ce but, plutôt que d'admettre dans le compresseur l'azote non liquéfié en provenance de l'échangeur (étape 80) on y admet de l'azote gazeux ambiant via l'orifice 183 au cours d'une étape d'amission 93 similaire à celle mise en œuvre lors de la phase de mise en route du système.
Pour déterminer l'instant auquel l'étape d'admission 93 se substitue à l'étape d'admission 80 au cours de la phase de fonctionnement stabilisé, une étape 94 de détermination d'au moins une information représentative de la quantité d'azote liquide produit est mise en œuvre. Cette information est comparée à une première valeur seuil prédéterminée (étape 95). L'étape d'admission 93 remplace alors l'étape d'admission 80 dès que l'information représentative de la quantité d'azote liquide produit atteint cette première valeur seuil prédéterminée.
Une façon de déterminer l'instant pour basculer d'une admission 80 à une admission 93, consiste à mettre en œuvre une étape de mesure de la pression dans le premier ou dans le deuxième circuit, puis une étape de comparaison de la valeur de pression mesurée à une valeur seuil basse prédéterminée, le basculement de l'étape d'admission 71 à l'étape 70 se faisant dès l'atteinte de cette valeur seuil.
Une autre façon de déterminer l'instant pour basculer d'une admission 80 à une admission 93, consiste à mettre en œuvre une étape de mesure de la quantité en masse ou en volume d'azote liquide produit, puis une étape de comparaison de la valeur mesurée à une valeur seuil prédéterminée, le basculement de l'étape d'admission 80 à l'étape 93 se faisant dès l'atteinte de cette valeur seuil.
Une fois le basculement d'admission opéré, le système fonctionne pour produire de l'azote liquide, mais plus en circuit fermé momentanément, l'azote gazeux réintroduit étant comprimé de manière isotherme à l'intérieur du compresseur 18 (étape 98).
Un cycle de fonctionnement en mode admission externe suffit à remettre le circuit sous pression pour quelques cycles suivants en mode admission interne.
Dans la variante selon laquelle l'entrée 183 n'est pas nécessaire, l'azote gazeux sera injecté, déjà sous pression, par exemple dans la canalisation 19. L'étape d'admission 93 et l'étape de compression 98 ne sont pas nécessaires.
Une partie de l'azote froid en provenance du détendeur s'échappe du circuit sous forme liquide. La quantité d'azote chaud en provenance du compresseur et introduite dans l'échangeur est donc plus importante que la quantité d'azote froid non liquéfié en provenance du détendeur et introduit dans l'échangeur. Lorsque la mise en œuvre de l'échangeur de chaleur ne permet plus de refroidir suffisamment l'azote gazeux comprimé en provenance du compresseur, un cycle d'admission directe dans le détendeur d'azote comprimé est mis en œuvre. On augmente ainsi la quantité d'azote froid introduit dans l'échangeur pour améliorer le refroidissement de l'azote comprimé.
En fonctionnement stabilisé, le procédé comprend ainsi une étape 99 d'admission directe dans le détendeur 23 d'une autre partie de l'azote gazeux comprimé dans le compresseur 18. L'étape d'admission 99 remplace momentanément l'étape 85 d'admission d'azote gazeux comprimé.
Pour cela, cette partie d'azote gazeux comprimé s'échappe du compresseur 18 via la sortie 182 et est acheminée dans le détendeur 23 via la canalisation 24 et l'entrée 232.
Le procédé comprend également une étape de détente 100 de l'azote gazeux comprimé admis directement dans le détendeur 23. Cette détente induit la production d'azote froid non liquéfié qui, après avoir été échappé du détendeur (étape 101), est ensuite admis dans l'échangeur via la canalisation 20 et l'entrée 163 pour améliorer l'efficacité de l'échangeur. L'admission directe 99 dans le détendeur 23 d'azote gazeux en provenance du compresseur 18 via la canalisation 24 est mise en oeuvre en fonction du besoin de refroidissement dans l'échangeur 18. Une sonde de température Ή peut par exemple être placée à la sortie 160 d'azote comprimé refroidi de l'échangeur pour mettre en œuvre une étape 800 de mesure de la température de l'azote refroidi en sortie de l'échangeur puis une étape 801 de comparaison de cette température avec un seuil haut de température prédéterminé, pour commander la mise en œuvre de l'étape 99 d'admission directe lorsque ce seuil haut est atteint. Le refroidissement de l'azote comprimé à l'intérieur de l'échangeur est ainsi maximisé ce qui permet d'augmenter la production ultérieure d'azote liquide dans le détendeur. Le rendement du système est ainsi amélioré en terme de production d'azote liquide.
Pour stopper la mise en œuvre de l'étape 99 d'admission directe, une étape 802 de comparaison de la température mesurée avec un seuil bas de température prédéterminé est mise en œuvre. L'étape 99 d'admission directe est stoppée lorsque ce seuil bas est atteint. L'étape 85 d'admission d'azote gazeux comprimé remplace de nouveau l'étape d'admission directe 99.
Une phase d'initialisation devra être mise en œuvre préalablement à l'étape d'admission directe 99 afin de mettre sous pression la canalisation 24. Pour cela, on ouvre l'orifice 182 au lieu de l'orifice 180 du compresseur en fonctionnement jusqu'à ce que la pression dans la canalisation 24 atteigne une valeur seuil prédéterminé. Quand cette valeur seuil est atteinte, on passe dans une phase de fonctionnement stabilisé.
Pendant la phase de fonctionnement stabilisé, la canalisation 24 est maintenue en pression par l'ouverture de la sortie 182 du compresseur, l'azote pouvant provenir soit de l'entrée 183 (lorsque de l'azote extérieur doit être réintroduit dans le système) soit de l'entrée 181.
Deux détendeurs différents pourront être mis en œuvre, l'un pour détendre d'azote comprimé puis refroidi circulant dans la canalisation 15, l'autre pour détendre l'azote comprimé circulant dans la canalisation 24. Les deux détentes pourront alors avoir lieux simultanément. L'un de ce détendeur comprendra une entrée 231 et une sortie 230. L'autre comprendra une entrée 232 et une sortie 230.
Deux compresseurs peuvent être mis en œuvre. L'un de ces compresseurs comprendra une entrée 181, une sortie 180 et le cas échéant une entrée 183. L'autre comprendra une entrée 181, une sortie 182 et le cas échéant une entrée 183. Les deux compressions dans ces compresseurs pourront avoir lieux simultanément.
Selon la figure 9, si deux détendeurs et deux compresseurs sont mis en oeuvre, il peut y avoir deux circuits allé et retour distincts.
Le premier circuit est composé du circuit d'origine avec le compresseur isotherme 18 et le détendeur adiabatique23, l'échangeur 16, les deux réseaux de canalisations entre les orifices 230 ,181 et 231,180, le séparateur 21 avec la sortie 26 d'azote liquide et l'entrée 183 d'azote gazeux. La canalisation 24 se retrouve dans le deuxième circuit.
Le deuxième circuit est composé du deuxième compresseur 18' et qui comprend alors, la sortie 182 reliée à la canalisation 24 elle-même reliée au deuxième détendeur 23' par l'entrée 232 tandis qu'un nouveaux réseau de canalisations 1, 2, 3 relie la sortie 230' du détendeur 23'en traversant l'échangeur 16 par l'entrée 163' et la sortie 162' jusqu' à l'entré 18 du deuxième compresseur isotherme 18'. L'échangeur 16 est donc traversé par deux canalisations 2, et 16'.
Les deux circuits composés principalement de deux réseaux chacun sont indépendants l'un de l'autre et peuvent alors fonctionner à des pressions différentes, le deuxième circuit qui est complètement fermé et qui peut comporter un autre gaz que de l'azote assure le refroidissement de l'échangeur 16 tandis que le premier circuit génère l'azote liquide en détendant l'azote refroidi dans l'échangeur et comprimé dans le compresseur. Le circuit de refroidissement compense l'azote liquide produit et qui ne participe pas au refroidissement de l'azote comprimé admis dans l'échangeur. La régulation du circuit de refroidissement est assurée par une sonde de température placée sur la canalisation 25 qui alimente le détendeur où est généré l'azote liquide. Le compresseur 18 et le détendeur 23 peuvent être entraînés par un moteur électrique, le tout relié par le même arbre d'entraînement. Tandis que le compresseur 18' et le détendeur 23' peuvent être également reliés par un autre arbre d'entraînement et entraînés par un autre moteur électrique et tournant à une vitesse différente, de sorte à pouvoir réguler finement la température de l'azote comprimé qui entre dans le détendeur 23, cette température peut être proche du point de liquéfaction. Cette variante consiste à créer un circuit externe de production de froid qui passe par l'échangeur de chaleur mis en œuvre au cours de la production de l'azote liquide pour refroidir l'azote gazeux comprimé dans l'échangeur.
A l'intérieur du système se produit ainsi successivement une pluralité de cycles permettant de produire de l'azote liquide qui est par exemple stocké dans le réservoir 10.
6.3. Production d'azote liquide ou alternativement d'énergie mécanique
Ainsi que cela a été décrit plus haut, l'invention concerne un système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide et un système mécanique de production d'azote liquide.
Ces deux systèmes peuvent être mis en œuvre de manière totalement indépendante l'un de l'autre.
Dans une variante, le système peut être réversible de manière à pouvoir fonctionner alternativement dans un mode moteur en tant que système de production d'énergie mécanique et dans un mode générateur en tant que système de production d'azote liquide.
Un système mécanique de production d'énergie mécanique non réversible ne comprend par exemple pas la vanne 14, la vanne 21, la canalisation 25, la canalisation 26 et les orifices 231 et 1 . Il peut ou non contenir la canalisation 19 et l'orifice 181.
Un système mécanique de production d'azote liquide non réversible ne comprend par exemple pas la vanne 14 la canalisation 12, la pompe 13 et les orifices 11 et 234.
Un système de production d'énergie mécanique et de production d'azote liquide, c'est-à-dire un système réversible possédant un mode moteur et un mode générateur, comprend l'ensemble des composant nécessaires au fonctionnement en mode moteur et en mode générateur, les vannes 14 et 21 permettant de rendre non fonctionnelle certaines canalisations dans chacun des modes de fonctionnement.
Une vanne pourra être placée le long de la canalisation 19 pour permettre en mode moteur l'admission dans l'échangeur de chaleur d'air ambiant et/ou de gaz comprimé en provenance du détendeur, et en mode générateur la circulation entre la sortie 162 de l'échangeur et l'entrée 181 du compresseur.
6.4. Variante
En mode moteur, le système qui comprime le gaz qui a été utilisé pour vaporiser l'azote liquide, permet de produire une grande quantité de gaz comprimé dans un système compact. En effet, le gaz est comprimé après avoir été refroidi puisqu'il est utilisé pour vaporiser l'azote liquide.
Selon une variante, ce gaz comprimé peut être injecté dans un détendeur existant, comme par exemple dans les cylindres du moteur d'un véhicule en phase d'admission. Le système selon l'invention constitue alors un générateur de gaz comprimé pouvant assurer la fonction de turbocompresseur.
Un tel système de génération de gaz comprimé pourrait également par exemple alimenter un moteur à air comprimé ou un système de stockage d'énergie par air comprimé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de production d'énergie mécanique comprenant au moins : un compresseur ;
un détendeur ;
- un échangeur de chaleur ;
ledit système possédant un mode de fonctionnement moteur dans lequel ledit système comprend en outre :
des moyens d'admission d'azote liquide sous pression dans une entrée d'admission d'azote liquide dudit échangeur, des moyens d'admission d'air ou d'azote gazeux dans une entrée d'admission d'air ou d'azote gazeux dudit échangeur, des moyens d'échappement d'azote vaporisé à une sortie d'azote vaporisé dudit échangeur et des moyens d'échappement d'air ou d'azote refroidi à une autre sortie d'air ou d'azote gazeux refroidi dudit échangeur ;
- des moyens d'admission à l'intérieur dudit détendeur dudit azote vaporisé pour l'y détendre ;
des moyens d'admission dans ledit compresseur dudit air ou azote gazeux refroidi pour y produire de l'air ou azote gazeux comprimé ;
des moyens de détente dudit air ou azote gazeux comprimé ;
- des moyens de réchauffage de l'air ou azote gazeux comprimé avant admission dans lesdits moyens de détente ou à l'intérieur desdits moyens de détente ;
des moyens de récupération d'énergie provenant de la détente dudit azote vaporisé et de la détente dudit air ou azote gazeux comprimé.
2. Système selon la revendication 1, comprenant des moyens d'admission d'azote gazeux encore sous pression, en provenance dudit détendeur et/ou desdits moyens de détente, dans l'entrée d'admission d'air ou d'azote gazeux dudit échangeur.
3. Système selon la revendication 1 ou 2 comprenant des moyens de réchauffage dudit azote vaporisé avant admission dans ledit détendeur ou à l'intérieur dudit détendeur.
4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel ledit détendeur et/ou lesdits moyens de détente sont étagés.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel ledit compresseur et/ou lesdits moyens de compression sont étagés.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit détendeur, lesdits moyens de détente et ledit compresseur sont réversibles.
7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans lequel ledit détendeur, lesdits moyens de détente et ledit compresseur constitue un unique ensemble assurant tantôt la fonction de détenteur, tantôt celle de moyens de détente et tantôt celle de compresseur.
8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel ledit détendeur et ledit compresseur sont distincts l'un de l'autre.
9. Système selon la revendication 8 comprenant des moyens de transmission reliant ledit détendeur audit compresseur.
10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant des moyens d'admission dans ledit détendeur dudit air ou azote comprimé, ledit détendeur constituant alors lesdits moyens de détente dudit air ou azote gazeux comprimé.
11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 possédant un mode de fonctionnement générateur d'azote liquide dans lequel il comprend : des moyens d'admission d'azote gazeux comprimé dans une entrée d'admission d'azote gazeux comprimé dudit échangeur de chaleur pour l'y refroidir ;
des moyens d'admission de l'azote gazeux comprimé et refroidi, provenant dudit échangeur, dans des moyens de détente en vue de produire de l'azote liquide ;
des moyens de séparation de l'azote liquide et de l'azote non liquéfié en sortie desdits moyens de détente ;
des moyens d'admission, dans une entrée d'azote non liquéfié dudit échangeur, de l'azote non liquéfié provenant desdits moyens de détente ; des moyens d'admission de l'azote non liquéfié et réchauffé provenant dudit échangeur dans des moyens de compression en vu de l'y comprimer ;
des moyens d'admission, dans ladite entrée d'azote gazeux comprimé dudit échangeur, de l'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression ;
des moyens d'admission directe, dans lesdits moyens de détente, de l'azote non liquéfié et comprimé en provenance desdits moyens de compression pour produire de l'azote non liquéfié comprimé puis détendu ;
des moyens d'admission dudit azote non liquéfié, comprimé puis détendu, provenant desdits moyens de détente, dans ladite entrée d'azote non liquéfié dudit échangeur.
12. Dispositif selon la revendication 11 comprenant des moyens de détermination d'au moins une information représentative de la température de l'azote gazeux comprimé et refroidi en sortie dudit échangeur, les moyens d'admission directe étant mis en œuvre au détriment desdits moyens d'admission dans ledit échangeur d'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression lorsque ladite information représentative de ladite température atteint un seuil haut prédéterminé puis non mise en œuvre jusqu'à ce que lorsque ladite information représentative de ladite température atteigne un seuil bas prédéterminé.
13. Système selon la revendication 11 ou 12 dans lequel lesdits moyens de détente de l'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression sont distincts desdits moyens de détente dudit azote gazeux comprimé puis refroidi provenant dudit échangeur.
14. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 comprenant des moyens d'admission d'azote gazeux dans lesdits moyens de compression pour produire ledit azote gazeux comprimé.
15. Système selon la revendication 14 dans lequel lesdits moyens de compression dudit azote gazeux et lesdits moyens de compression dudit azote non liquéfié sont distincts.
16. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 15 dans lequel, lesdits moyens de détente dudit azote non liquéfié puis comprimé et/ou lesdits moyens de détente dudit azote gazeux comprimé puis refroidi sont étagés.
17. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 16 dans lequel lesdits moyens de compression dudit azote non liquéfié et/ou dudit azote gazeux sont étagés.
18. Système selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, ledit système comprenant des moyens pour passer d'un mode à l'autre de façon réversible.
19. Procédé de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide, ledit procédé comprenant au moins :
- une étape de vaporisation d'azote liquide dans un échangeur de chaleur dans lequel transite de l'air ou de l'azote gazeux sensiblement à température ambiante refroidi au cours de son passage à travers ledit échangeur ;
une étape d'admission de l'azote vaporisé en provenance de l'échangeur dans un détendeur ;
- une étape de détente dans ledit détendeur dudit azote vaporisé générant de l'énergie mécanique ;
une étape d'admission dans un compresseur de l'air ou azote gazeux refroidi dans ledit échangeur ;
une étape de compression dans ledit compresseur dudit air refroidi ou azote gazeux refroidi ;
une étape d'admission dans des moyens de détente dudit air ou azote gazeux refroidi puis comprimé ;
une étape de détente dudit air ou azote gazeux refroidi puis comprimé générant de l'énergie mécanique ;
- une étape de réchauffage de l'air ou azote gazeux comprimé avant admission dans lesdits moyens de détente ou à l'intérieur desdits moyens de détente ;
une étape de récupération de l'énergie mécanique résultant desdites détentes.
20. Procédé selon la revendication 19 dans lequel l'azote admis dans ledit échangeur est de l'azote gazeux détendu provenant dudit détendeur et/ou desdits moyens de détente.
21. Procédé selon la revendication 19 ou 20, comprenant une étape de réchauffage dudit azote vaporisé avant admission dans ledit détendeur ou à l'intérieur dudit détendeur.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 21 dans lequel ladite étape de détente dudit azote vaporisé et/ou ladite étape de détente dudit air ou azote gazeux refroidi puis comprimé sont étagées.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 19 à 22 dans lequel ladite étape de compression est étagée.
24. Procédé de production d'azote liquide comprenant :
une étape de refroidissement d'air ou d'azote gazeux comprimé dans un échangeur de chaleur ;
une étape de détente dans des moyens de détente dudit air ou azote gazeux comprimé et refroidi induisant la production d'un mélange d'azote liquide et d'azote non liquéfié ;
une étape de séparation de l'azote liquide et de l'azote non liquéfié dudit mélange ;
une étape d'admission dans ledit échangeur de chaleur de l'azote non liquéfié pour y refroidir ledit air ou azote gazeux comprimé ;
- une étape de compression dans des moyens de compression de l'azote non liquéfié refroidi provenant dudit échangeur ;
une étape de réchauffement, dans ledit échangeur, de l'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression ;
une étape d'admission directe, dans lesdits moyens de détente, de l'azote non liquéfié et comprimé en provenance desdits moyens de compression pour produire de l'azote non liquéfié comprimé puis détendu ;
une étape d'admission dudit azote non liquéfié, comprimé puis détendu, provenant desdits moyens de détente, dans ledit échangeur pour l'y réchauffer.
25. Procédé selon la revendication 24 comprenant une étape de détermination d'au moins une information représentative de la température de l'azote gazeux comprimé et refroidi en sortie dudit échangeur, ladite étape d'admission directe étant mis en œuvre au détriment desdits moyens d'admission dans ledit échangeur d'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression lorsque ladite information représentative de ladite température atteint un seuil haut prédéterminé puis non mise en œuvre jusqu'à ce que lorsque ladite information représentative de ladite température atteigne un seuil bas prédéterminé.
26. Procédé selon la revendication 24 ou 25 dans lequel ladite étape de détente de l'azote non liquéfié puis comprimé provenant desdits moyens de compression et ladite étape de détente dudit air ou azote gazeux comprimé puis refroidi provenant dudit échangeur sont réalisées simultanément dans des moyens de détente distincts.
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 24 à 26 comprenant une étape de compression d'air ou d'azote pour produire ledit air ou azote gazeux comprimé.
28. Procédé selon la revendication 27 dans lequel ladite étape de compression d'air ou azote gazeux et ladite étape de compression dudit azote non liquéfié sont réalisées simultanément dans des moyens de compressions distincts.
29. Procédé selon l'une quelconque des revendications 24 à 28 dans lequel, lesdites étapes de détente dudit azote non liquéfié puis comprimé et/ou dudit air azote gazeux comprimé puis refroidi sont étagées.
30. Procédé selon l'une quelconque des revendications 24 à 29 dans lequel lesdites étapes de compression dudit azote non liquéfié et/ou dudit air ou azote gazeux sont étagées.
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