EP3510257B1 - Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method - Google Patents

Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method Download PDF

Info

Publication number
EP3510257B1
EP3510257B1 EP17784668.0A EP17784668A EP3510257B1 EP 3510257 B1 EP3510257 B1 EP 3510257B1 EP 17784668 A EP17784668 A EP 17784668A EP 3510257 B1 EP3510257 B1 EP 3510257B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nitrogen
exchanger
compressed
intake
expansion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17784668.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3510257A1 (en
EP3510257C0 (en
Inventor
Eric Dupont
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3510257A1 publication Critical patent/EP3510257A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP3510257C0 publication Critical patent/EP3510257C0/en
Publication of EP3510257B1 publication Critical patent/EP3510257B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00General layout or general methods of operation of complete plants
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C7/00Methods or apparatus for discharging liquefied, solidified, or compressed gases from pressure vessels, not covered by another subclass
    • F17C7/02Discharging liquefied gases
    • F17C7/04Discharging liquefied gases with change of state, e.g. vaporisation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F17C9/04Recovery of thermal energy
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01Pure fluids
    • F17C2221/014Nitrogen
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0146Two-phase
    • F17C2223/0153Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/01Propulsion of the fluid
    • F17C2227/0128Propulsion of the fluid with pumps or compressors
    • F17C2227/0157Compressors
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/03Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/0302Heat exchange with the fluid by heating
    • F17C2227/0306Heat exchange with the fluid by heating using the same fluid
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2265/00Effects achieved by gas storage or gas handling
    • F17C2265/03Treating the boil-off
    • F17C2265/032Treating the boil-off by recovery
    • F17C2265/038Treating the boil-off by recovery with expanding
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2270/00Applications
    • F17C2270/01Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0168Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles

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 a system for storing energy in the form of liquid nitrogen or other liquid gases such as air.
  • the system includes a piston compressor into which nitrogen gas is admitted in order to be compressed.
  • the compressed nitrogen is introduced into an exchanger in which it is cooled before being admitted into a piston expander in which it is expanded and partly liquefied.
  • the liquid nitrogen produced is stored.
  • the unliquefied nitrogen inside the expander is admitted to the heat exchanger to cool the compressed nitrogen gas from the compressor to be admitted back into the compressor.
  • the liquid nitrogen In engine mode, the liquid nitrogen, pumped under high pressure, is vaporized in an exchanger then admitted into a first piston expander (which acts as a expander where the liquid nitrogen is formed in generator mode) then into a second piston expander.
  • 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, of the vaporized nitrogen.
  • WO 2015/138817 shows a system for producing energy from nitrogen evaporation according to the state of the art.
  • the invention aims in particular to provide an effective solution to at least some of these different problems.
  • an objective of the invention is to increase the efficiency in engine mode of a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen or other liquefied gas.
  • Another objective 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 which is simple and/or efficient and/or robust and/or inexpensive.
  • Another objective of the invention is, in at least one embodiment, to increase the overall efficiency and reduce the cost of the energy storage system both in terms of storage and in terms of restitution of energy by the combination of the three objectives mentioned above.
  • gaseous or liquid nitrogen means essentially composed of nitrogen but may include a small proportion of other elements and a lower but sufficient oxygen content if combustion is desired.
  • the nitrogen content of the fluid considered 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 gaseous nitrogen in the exchanger followed by compression, preferably adiabatic, then expansion thereof, with a supply of thermal energy before and/or during expansion, with a significantly larger volume, for example of the order of four times, produces additional mechanical energy.
  • the invention relates to a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen.
  • Such a system comprises a pipe 300 of liquid nitrogen under pressure which opens into a liquid nitrogen inlet 301 of a heat exchanger 302.
  • the heat exchanger 302 comprises an outlet of vaporized and heated nitrogen 303 which is connected by a pipe 304 to an inlet of vaporized and heated nitrogen 305 of a compressor/expander 306.
  • the heat exchanger 302 comprises an inlet of ambient air 311.
  • the exchanger 302 is crossed by the pipe 302' which leaves from 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 which passes through it internally, liquid nitrogen, and the fluid which passes through it externally, air or nitrogen. It can consist of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, consist of multiple pipes connected to the inlet 301 and the outlet 303 of the exchanger.
  • the compressor/expander 306 includes an exhaust outlet 307 of expanded air or nitrogen gas. It includes a cooled air inlet 308 which is connected by a pipe 309 to a cooled air outlet 310 of the exchanger 302.
  • the compressor/expander 306 can 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 can for example be connected to an alternator 318 to produce electric current, be used to set a vehicle or other vehicle in motion.
  • the compressor/expander piston can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the system includes means for reheating the vaporized nitrogen before admission into the regulator 306 or for reheating inside the regulator 306. They may include a heater 500 placed on the pipe 304. They may alternatively or in addition include means fluid injection 313 in the regulator to ensure heating.
  • the inlet 311 can be connected directly to another pressurized nitrogen outlet (residual expansion pressure) 312 of the compressor/expander 306 by means of a pipe 311'.
  • a pipe 311' a pressurized nitrogen outlet (residual expansion pressure) 312 of the compressor/expander 306
  • the compressor/expander 306 ( figure 1 ) can be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle shown in figure 4 .
  • Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means to admit into a compressor/expander the fluid coming from another expander/compressor with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one. .
  • the high pressure compressor/expander will include in addition to an additional orifice with the pipeline which connects it to an additional orifice of the low pressure expander, the inlet ports 308, and 305, the compressor expander/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 the figure 1 ).
  • the second low pressure stage can include two regulators 306' and 306" each connected to the high pressure stage by the pipes 400 and 400' themselves connected to the orifices 600, 601, 602, 603.
  • One of the low pressure regulators may include an exhaust to the open air via outlet 307 and the other low pressure regulator, an exhaust via outlet 312 which can be connected to the inlet of the exchanger 311 via the pipe 311' as indicated in a previous variant.
  • the means for heating the vaporized nitrogen before admission into a regulator or for heating inside a regulator can be arranged in each of the compressor regulators and alternatively or in addition on the intake pipe of each two. So on the Figure 10 , 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 the direct injection of an energetic fluid such as gasoline with combustion or by a fluid having a significant specific heat such as water.
  • an energetic fluid such as gasoline with combustion
  • a fluid having a significant specific heat such as water.
  • the reheating takes place outside the expander, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a heat transfer fluid itself heated by a heat source: solar concentration, gas or gasoline combustion.
  • This reheating increases the volume of the gas to be expanded and reduces the consumption of liquid nitrogen for the same quantity of mechanical energy produced.
  • a pressure probe P is optionally placed on pipe 311' and a temperature probe T° is optionally placed on pipe 304.
  • Such a system includes a liquid nitrogen tank 10.
  • This tank 10 includes a liquid nitrogen outlet 11 which is connected to a pipe 12 between two portions of which a pump 13 is placed.
  • the pump 13 can be placed in the tank 10. It is optional the pressure which can be obtained by the heating of the tank for example.
  • Pipeline 12 opens into a valve 14.
  • the valve 14 comprises an outlet which is connected by a pipe 15 to the liquid nitrogen inlet 160 of a heat exchanger 16.
  • Valve 14 is optional and pipes 12 and 15 can constitute a single pipe when valve 14 is not used.
  • the heat exchanger 16 includes an outlet 161 of heated vaporized nitrogen.
  • the exchanger 16 is crossed by the pipe 16' which starts from the inlet 160 of the exchanger to the outlet 161 of the exchanger.
  • Pipe 16' serves as a heat exchange surface in the exchanger with the fluid which passes through it internally, liquid nitrogen, and the fluid which passes through it externally, air or nitrogen. It can consist of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, consist of multiple pipes 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 to the vaporized nitrogen inlet 180 of a regulator 18 and optionally carries a T° temperature probe.
  • the heat exchanger 16 includes an air intake inlet 162 preferably at ambient temperature or lower. This inlet 162 can optionally and alternatively be connected by a pipe 19 to an outlet optional nitrogen gas under pressure (residual pressure from the expansion) 181 of the regulator 18.
  • the heat exchanger 16 includes an outlet 163 for cooled air or nitrogen. This outlet is connected to a pipe 20 which opens into a valve 21.
  • Pipe 20 optionally includes a temperature probe T.
  • the valve 21 is connected by a pipe 22 to an air or cooled nitrogen intake inlet 230 of an adiabatic compressor 23.
  • Valve 21 is optional and pipes 20 and 22 can constitute a single pipe when valve 21 is not used.
  • the adiabatic compressor 23 includes an outlet 232 for compressed air or nitrogen.
  • the compressed air or nitrogen outlet 232 is connected by a pipe 24 to an air or compressed nitrogen inlet 182 of the regulator 18.
  • the regulator 18 includes a nitrogen gas exhaust outlet 183.
  • the valve 14 is optionally connected to an optional pipe 25 which is connected to an optional orifice 231 of the adiabatic compressor 23.
  • the valve 21 is optionally connected to an optional pipe 26, connected to an optional orifice 11', of the liquid nitrogen tank 10 optional.
  • the expander 18 and the adiabatic compressor 23 each include a drive shaft 184, 233.
  • the system includes an output shaft 27. This can for example be connected to an alternator 28 to produce electric current, be used to set a vehicle in motion or the like.
  • the drive shaft 184 of the regulator 18 constitutes 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. Otherwise, auxiliary motor means must be placed used 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 a single and same tree, as shown on the figure 2 .
  • the expander causes both the adiabatic compressor and the output shaft to move.
  • 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 expander constitutes the expansion valve drive shaft and the compressor crankshaft constitute the compressor drive shaft.
  • the compressor and the expander preferably share the same crankshaft which constitutes or is connected to the output shaft of the system.
  • the expander and the compressor could each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor comprising respectively the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor.
  • the compressor rotor shaft, the holder rotor shaft and the output shaft may constitute a single shaft.
  • the pistons of the compressor and/or expander can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the compressor and the regulator can make it possible to carry out staged expansions and/or compressions.
  • the compressor and the expander will be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle represented in figure 4 .
  • Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means for admitting into a compressor/expander the fluid coming from another compressor expander with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one.
  • the system according to the invention obviously comprises control means for controlling the opening and closing of the different orifices (inlets, outlets) of the regulator 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 different orifices (inlets, outlets) of the regulator and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • Such means are known per se and are not described in detail.
  • the system includes means for heating the vaporized nitrogen and/or compressed air or nitrogen gas before admission into the regulator or reheating inside the regulator.
  • such heating means include an external heating system 40 placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition comprise an internal heating system 41 allowing the injection of fluid into the regulator which ensures heating.
  • 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 of a fluid with combustion such as gasoline.
  • a hot fluid such as water without combustion or of a fluid with combustion such as gasoline.
  • the reheating takes place outside the regulator, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a heat transfer fluid itself heated by a heat source: solar concentration, gas or gasoline combustion . It could also be a system for heating the walls of the regulator. This is applicable in the context of the simplified version.
  • FIG 4 illustrates a variant according to which the regulator is stepped, that is to say it comprises several regulators 18, 18' placed in series, the partially expanded vaporized nitrogen exhaust 181 from one (18) being connected to the inlet of partially expanded vaporized nitrogen 180' from the other (18') via a pipe 42.
  • the inlets/outlets 181' (optionally connected to the orifice 162 of the exchanger 16 via pipe 19) and 183 are arranged in the low pressure regulator 18' and the inlets/outlets 180 and 182 are arranged in the high pressure regulator 18.
  • the heating means comprise an external heating system 40 placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition comprise an internal heating system 41 allowing the injection of fluid into the regulator (hot fluid such as water without combustion inside the regulator or fluid with combustion inside the regulator) which ensures heating. They may also include an external heating system 43 placed on the pipe(s) 42 and/or an internal heating system 44 (of the type of system 41) placed in the regulator(s) 18'. It could also be a system for heating the walls of the regulator(s).
  • a system such as that described in relation to the figure 4 can also make it possible to create a staged compressor by placing several compressors 18' and 18 in series.
  • the internal and/or external heating means are in made means of cooling.
  • these two pipes can be connected and open into the same and single inlet 180 or 182.
  • two regulators can be used, one into which the pipe 17 opens and the other into which the pipe 24 opens.
  • the expansion of the cooled air or nitrogen can take place after compression in the compressor 23 which will then act as an expander after the compression phase.
  • Compressor 23 which will then be a compressor/expander, will include an additional orifice 234 for the exhaust of cold air or nitrogen compressed therein and means of heating in the expander/compressor and/or on line 24 .
  • the tank, the pipes and the valve connected to it are optional. What is important is that the system includes a liquid nitrogen inlet intended to be connected to a pressurized liquid nitrogen supply device.
  • the method described in this paragraph corresponds to the implementation of the simplified version of the system described in relation to the figure 1 in a variant in which the expander-compressor thereof comprises a liner-piston assembly whose piston is connected to a crankshaft.
  • the quantity of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 302' and 304 for this start-up phase is related to their volume and the desired pressure (approximately 200/300 bar).
  • the start-up phase is followed by an engine launch phase then a stabilized operating phase during which the pressure in the pipes 302', 304 is regulated so as to maintain it at a pressure level determined by playing on the quantity of liquid nitrogen admitted through the orifice 301 of the exchanger and in relation to the quantity of air or gaseous nitrogen admitted into the exchanger.
  • the piston is initially at top dead center, inlet 305 is open, ports 308, 307 and where applicable 312 are closed. Ports 301 and 303 are also open throughout the launch phase and the stabilized operating phase.
  • Liquid nitrogen is admitted (step 501) under pressure (approximately 200/300 bars) and at approximately -195°C via pipe 300 into the intake inlet 301 of the exchanger 302 then 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 there and reheated until it reaches 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). It takes approximately 1.7 kg of ambient air to bring 1 kg of liquid nitrogen to ambient temperature.
  • a step 504 of admission, into the regulator 306, of vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.
  • the nitrogen vaporized and heated to ambient temperature escaping from the heat exchanger 302 via the vaporized nitrogen outlet 303 is routed into the regulator 306 via the pipe 304 and the open inlet 305.
  • steps 501 to 504 are simultaneous.
  • the vaporized nitrogen introduced into the regulator 306 undergoes a step 505 of expansion inducing the descent of the piston towards its bottom dead center and the setting in motion of the crankshaft: this setting in motion constitutes a step 507 of mechanical energy recovery.
  • a nitrogen reheating step 602 will be implemented before admission (approximately 300/600°C) and/or during expansion (approximately 20 to 140°C if fluid injection without combustion) so as to preferably have an exhaust temperature equal to or greater than the ambient temperature.
  • the heating means 500 and/or 313 will be used. If the reheating takes place before admission, the expansion will be preferentially adiabatic, if the reheating takes place during the expansion, the expansion will be preferentially isothermal.
  • the inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the escape of the expanded nitrogen from the regulator 306 (step 506) during the rise of the piston towards its top dead center.
  • Exhaust outlet 307 closes. The engine launch phase thus ends while the stabilized operating phase begins.
  • the stabilized operating phase begins with the choice of operating in expansion mode or operating in compression mode.
  • a step 65 of choosing an expansion mode or a compression mode is implemented.
  • this choice step 65 consists of measuring the nitrogen temperature inside the pipe 300 at the outlet 303 of the exchanger or the pipe 304.
  • the process will continue by implementing the relaxation mode.
  • the process will continue by implementing the compression mode.
  • the expansion mode includes a step 50 of admitting liquid nitrogen under pressure (approximately 200/300 bars) and at approximately -195°c via pipe 300 into the admission inlet 301 of the exchanger 302 then the pipeline 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 there and reheated until it reaches 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). It takes approximately 1.7 kg of ambient air to bring 1 kg of liquid nitrogen to ambient temperature.
  • a step 54 of admitting, into the regulator 306, vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.
  • the nitrogen vaporized and heated to ambient temperature escaping from the heat exchanger 302 via the vaporized nitrogen outlet 303 is routed into the regulator 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 an expansion step 55 inducing the descent of the piston towards its bottom dead center and the setting in motion of the crankshaft: this setting in motion constitutes a step 57 of mechanical energy recovery.
  • a nitrogen reheating step 62 will be implemented before admission (approximately 300/600°C) and/or during expansion (approximately 20 to 140°C if fluid injection 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 used. If the reheating takes place before admission, the expansion will be preferentially adiabatic, if the reheating takes place during the expansion, the expansion will be preferentially isothermal.
  • the inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the escape of the expanded nitrogen from the regulator 306 (step 56) during the rise of the piston towards its top dead center.
  • the piston moves again towards its bottom dead center.
  • the cooled ambient air leaving the exchanger 302 via the outlet 310 undergoes an admission step 53' into the compressor 306, flowing into the pipe 309 and passing through the inlet 308 of the compressor.
  • Inlet 308 closes and the piston rises towards its top dead center.
  • the cold air (approximately -195°) then undergoes a step 58 of adiabatic compression (with a pressure ratio of approximately 50) while the piston rises towards its top dead center in the compressor 302.
  • This adiabatic compression has the effect to increase the air temperature to room temperature.
  • the compressed air is kept in the chamber and under the effect of the pressure inside the compressor, the piston moves back to its bottom dead center, while the compressed air expands there (step 59) .
  • An air heating step 63 will be implemented during the expansion so that it is preferably isothermal. For this, the heating means 313 will be used.
  • step 65 of choice between compression mode and 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 programming the sequencing of the expansion and compression modes according to the need for heating of the liquid nitrogen and based on the quantity of air necessary for the heating and vaporization of liquid nitrogen. Indeed, we know that to vaporize and heat up to ambient temperature 1 kg of liquid nitrogen requires approximately 1.7 kg of air at ambient temperature, it will therefore be necessary to alternately introduce into the expansion compressor approximately 1 kg of vaporized liquid nitrogen heated to 300 bar for 1.7 kg of air cooled to 1 bar, or even up to 6 bar if the air is recovered in the exhaust as we will see in a variant a little further on.
  • Cooling the air in the exchanger then its adiabatic compression makes it possible to subsequently expand it in the expander with a significantly larger volume, for example of the order of four times, to produce additional mechanical energy. This makes it possible to recover the mechanical energy resulting from the phase change and the heating of the liquid nitrogen and thus to increase the efficiency in terms of mechanical energy production.
  • crankshaft of the expander-compressor 306 in motion can, for example, make it possible to rotate an alternator to produce electric current or to move a vehicle.
  • the gas admitted into the exchanger to vaporize the liquid nitrogen is no longer ambient air but comes from there recovery of exhaust gases from the system in engine mode.
  • the exhaust step 56 (506) consists of causing the expanded nitrogen to escape no longer through the outlet 307, but through the outlet 312, (the exhaust through the outlet 307 occurs alternately with the outlet 312 when the pressure in the pipe 311', which constitutes a buffer tank, has reached a determined pressure threshold, if the pressure is sufficient in the pipe 311', the exhaust takes place into the open air through the orifice 307 , if the pressure in the pipe 311' is insufficient, the exhaust takes place via the outlet 312 in the pipe 311').
  • These exhaust gases still under pressure (approximately 6 bars), are introduced into the exchanger (step 51) and are used to vaporize the liquid nitrogen during step 52. This facilitates heat exchange inside.
  • the implementation of this variant requires a start-up step during which the liquid nitrogen, vaporized, heated and expanded in the regulator, escapes into the pipe 311' through the orifice 308. This step is repeated until the pressure in the pipe 311' reaches a predetermined pressure threshold, for example between 1 to 6 bar. Then, during stabilized operation, the pressure in the pipe is maintained by adjusting the quantity of nitrogen admitted through the orifice 312, when the pressure in the pipe 311' is sufficient the exhaust takes place alternately with air free through port 307.
  • the other advantage of this variant is that if we recover the exhaust gases at around 6 bars and apply the pressure ratio of 50 for the adiabatic compression of cold nitrogen, we end up with a large quantity of nitrogen at 300 bars at ambient temperature in the compression chamber (when the piston reaches top dead center). We can therefore let this gas escape at high pressure 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 bars and at the same temperature and continue subsequently by several expansions of gas coming from pipeline 304 before carrying out a new compression. The fact of reintroducing the newly compressed gases into the pipe 304 possibly makes it possible to implement the external reheating step 62.
  • the inlet 305 opens so that all or part of the compressed air or nitrogen flows into pipe 304 where it joins the nitrogen vaporized under pressure (exhaust stage 400). If all of the air or compressed nitrogen flows into line 304, the cycle continues with step 54. If only part of the air or compressed nitrogen flows into the pipe 304, the cycle continues with step 59.
  • the compression of the cold gas coming from the exchanger can generate the production of too large a volume of compressed gas in the compressor. This volume is so large that it is not possible to completely relax it afterwards except by admitting a smaller quantity of cold gas, or by releasing gases still under pressure into the ambient air, which reduces the effectiveness of the system.
  • the compressor/expander is staged 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 exchanger is connected to the outlet 312 of the regulator/ compressor through pipe 311', the compression of the cold air coming from the exchanger (step 58) can be done only in the high pressure chamber, following which part of the compressed cold air escapes of the compressor to join the heated vaporized nitrogen in line 304 (step 400) while the other part is directly expanded in the high pressure chamber before joining the low pressure chamber to be completely expanded (step 59).
  • the high pressure compressor/expander will include ports 308 and 305, the low pressure compressor/expander will include ports 312 and 307.
  • the two compressors will each include an additional port connected by a pipe acting as a buffer tank and which may include a heater.
  • the low pressure stage may include two regulators, one of which may include an exhaust to the open air via outlet 307 and the other an exhaust via outlet 312 connected to the inlet of the exchanger 311 via the pipeline 311'.
  • the exhaust will therefore take place simultaneously in the open air and in pipe 311'.
  • This last variant which has 3 cylinders perhaps transformed into a liquid nitrogen generator according to the general indications expressed in the liquid nitrogen generator section depending on the variant where the compressor can be staged. For this we will use the low pressure compressor/expander 306' and the high pressure expander 306 as an isothermal staged compressor while the low pressure expander 313" will be used as an expander.
  • the quantity of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 16' and 17 for this start-up phase is related to their volume and the desired pressure (for example 300 bar).
  • the start-up phase also requires placing pipe 24 under a pressure of approximately 50 bar (300 bar if the exhaust gas recovery option is at 6 bar) during the first rounds and to the extent that the volume of the pipe represents a certain volume in relation to the displacement of the compressor.
  • the start-up and therefore the pressurization of this pipeline makes it possible to reach the compression rate necessary for heating the cold gas, during stabilized operation, and 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 pressure level determined by adjusting the quantity of liquid nitrogen admitted by the orifice 160 of the exchanger and in relation to the quantity of air or nitrogen gas admitted into the exchanger.
  • the pressure in the pipe is 24 is also regulated for example by measuring the pressure inside it and by varying the quantity of gas which enters through the orifice 232 of the compressor and which exits through the orifice 282 of the regulator.
  • ports 160 and 161 are open.
  • the regulator piston is initially at top dead center, port 180 is open. Ports 183, 181 and 182 are closed.
  • the process comprises a step of vaporizing liquid nitrogen, in the heat exchanger 16 in which ambient air or nitrogen passes substantially at ambient temperature and still under pressure coming from the expander 18 and which is cooled during of its passage through the exchanger 16 via pipe 16'.
  • the gaseous nitrogen obtained during vaporization which, given the pressure, is in a critical phase (vapour/liquid), is heated before being expanded.
  • liquid nitrogen at approximately -195°C is taken from the tank 10 by means of the pump 13 so that it passes through the outlet 11 of the tank and flows into the pipes 12 and 15 until 'to be admitted into the intake inlet 160 of the exchanger 16, then 16' (intake stage 50) at a pressure close to approximately 300 bar.
  • Ambient air is admitted via inlet 162 in the exchanger 16 (intake step 51).
  • the liquid nitrogen in the pipe 16' is heated inside the exchanger 16 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized there (vaporization step 52) and reheated to a temperature close to ambient 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 (approximately -195°C).
  • the method then comprises a step 54 of admitting, into the regulator 18, vaporized nitrogen coming from the exchanger 16 and which is at a pressure close to approximately 300 bar and at a temperature for example close to ambient temperature. .
  • the vaporized nitrogen escaping from the heat exchanger 16 via the vaporized nitrogen outlet 161 is routed into the regulator 18 via the pipe 17 and the vaporized nitrogen inlet 180 which opens while the regulator piston is at top dead center.
  • steps 50, 52 and 54 take place simultaneously.
  • the vaporized nitrogen introduced into the regulator 18 undergoes an expansion step 55 inducing a movement of the piston, towards its bottom dead center, and the setting in motion of the drive shaft 184 of the regulator, that is to say say the crankshaft. This corresponds to a mechanical energy recovery step 57.
  • a reheating step 62 (between approximately 300°C to 600°C) of the nitrogen will be implemented before admission and/or during expansion (10°C to 140°C if fluid injection without combustion). For this, the heating means 40 and/or 41 will be used.
  • outlet 183 opens and the piston rises toward top dead center.
  • the vaporized and then expanded nitrogen then undergoes an exhaust stage 56 via outlet 183.
  • the outlet 181 opens alternately with the free air exhaust outlet 183, in such a way as to obtain a constant pressure (approximately 1 to 6 bars) in the network between orifice 181 and orifice 230 and to ensure the exhaust stage 56.
  • the nitrogen coming from outlet 181 of the regulator is admitted under pressure (approximately 1 to 6 bar) via pipe 19 into inlet 162 in exchanger 16 during admission step 51, rather than ambient air.
  • pressure in pipe 19 is sufficient, the exhaust takes place through port 183 into the open air.
  • the implementation of this variant requires a start-up step during which the liquid nitrogen, vaporized, heated and expanded in the regulator, escapes into pipe 19 through orifice 181 (step 56) without being admitted into the compressor. This step is repeated until the pressure in the network between orifice 181 and orifice 230 reaches a predetermined pressure threshold, for example 1 to 6 bar. In stabilized operation, the exhaust takes place alternately through port 183 or 181 in such a way as to maintain the desired pressure in the network between port 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 there during step 53.
  • steps 51, 53 and 53' take place simultaneously.
  • Inlet 230 closes and the piston rises towards 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 a temperature close to ambient temperature due to compression.
  • the outlet 232 opens and the compressed air or nitrogen then escapes from the compressor (with a temperature close to ambient temperature for example and which is due to compression) then flows into line 24 acting as a buffer tank during an exhaust stage 58'.
  • Port 232 closes and the compressor piston returns to its bottom dead center while port 182 opens so that this compressed air or nitrogen undergoes a step 54' of admission into the expander through the inlet 182.
  • a nitrogen reheating step 62 will be implemented before admission and/or during expansion.
  • the heating means 40 and/or 41 will be used.
  • two different regulators can be used, one to expand the vaporized nitrogen, the other to expand the air or compressed nitrogen.
  • the two relaxations can then take place simultaneously.
  • the setting in motion of the crankshaft or more generally of the drive shaft 184 of the regulator 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.
  • Setting the drive shaft 184 of the regulator 18 in motion can for example make it possible to rotate an alternator 28 to produce electric current or to move a vehicle.
  • the drive shaft of the expander and that of the compressor are connected or constitute the same shaft, the mechanical energy generated by the expander makes it possible to drive the compressor. Otherwise, means of driving the compressor must be used, such as for example an electric motor or the like.
  • 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 pipe 24 could be partly expanded in regulator 23 and partly in regulator 18.
  • the cycle includes an expansion in the regulator 23 of this compressed air or nitrogen then and an exhaust through the orifice 234 .
  • the advantage of expanding part of the gas in the regulator 23 is that if the machine is reversible into a liquid nitrogen generator, the compressor 23 which is then reversible, must represent a larger displacement than if it is used as a compressor alone.
  • All of the pipes and the heat exchanger preferably constitute buffer reserves so as to have the different fluids necessary at each stage. This will make it easy to synchronize the different stages of the process.
  • the invention relates to a mechanical system for producing liquid nitrogen.
  • the first compressed air or nitrogen outlet 180 is connected by a pipe 17 to the compressed air or nitrogen intake inlet 161 of a heat exchanger 16.
  • the heat exchanger 16 includes an outlet of compressed and cooled air or nitrogen 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 which passes through it internally, the compressed nitrogen and the fluid which passes through it externally the cold nitrogen which comes from the regulator 23.
  • the pipe 16' can be made up of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, be made up of 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 and cooled air or nitrogen of a regulator 23.
  • the valve 14 is connected to a pipe 12 on which a pump 13 is mounted and which is connected to a liquid nitrogen outlet 11 of the tank 10.
  • the valve 14 as well as the pipe 12, the pump 13 and the outlet 11 are optional and are not useful for producing liquid nitrogen.
  • the regulator 23 comprises an inlet 232 of compressed air or nitrogen which is connected by a pipe 24 to the second outlet of compressed air or nitrogen 182 of the compressor 18.
  • the regulator 23 includes an outlet 230 of a mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen. This outlet 230 is connected to a pipe 22 which opens into a valve 21.
  • the valve 21 integrates 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 to the non-liquefied nitrogen inlet 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 include a drive shaft 233, 184.
  • the system includes an output shaft 27.
  • the system comprises means for driving the movement of 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 system output shaft may constitute one and the same shaft.
  • the drive means are then connected to the output shaft and can for example include an electric motor 28 or a wind turbine.
  • the compressor and/or the expander can be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle shown in figure 4 .
  • Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means for admitting into a compressor/expander the fluid coming from another compressor expander with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one.
  • 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 by means of connecting rods 187, 237 to a crankshaft 188, 238.
  • the crankshaft of the expander constitutes the The expansion valve drive shaft and the compressor crankshaft constitute the compressor drive shaft.
  • the pistons of the compressor and/or expander can be connected to a linear electric motor or alternator.
  • the compressor and the expander preferably share the same crankshaft which constitutes or is connected to the output shaft of the system.
  • the expander and the compressor could each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor comprising respectively the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor.
  • the compressor rotor shaft, the holder rotor shaft and the output shaft may constitute a single shaft.
  • the system includes means for cooling the compressed nitrogen in the compressor either inside the compressor and/or at the exhaust when the compressor is staged.
  • the cooling means make it possible to evacuate the heat generated by 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 means for heating the system in engine mode which are then reversible. They can in any case be placed in approximately the same places. In the case of staged compression, they allow cooling between each compression.
  • such cooling means include an external cooling system 40' placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition include a cooling system. internal cooling 41' allowing the injection of fluid into the regulator (cold fluid like water) which ensures cooling. It can also be a compressor wall cooling system.
  • two regulators could be used.
  • One of these regulators will include an inlet 231 connected to pipe 25 and an outlet 230 connected to pipe 22.
  • the other will include an inlet 232 connected to pipe 24 and an outlet 230' connected to pipe 25.
  • two compressors can be used.
  • One of the compressors will include an inlet 181 connected to pipe 19, an outlet 180 connected to pipe 17 and, where appropriate, an inlet 183.
  • the other will include an inlet 181' connected to pipe 19, an outlet 182 connected to pipe 24 and, where applicable, an inlet 183.
  • the first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expander 23, the exchanger 16, the two pipe networks between the orifices 230,181 and 231,180, the separator 21 with the liquid nitrogen outlet 26 and the 'entry 183 of nitrogen gas. Line 24 is found in the second circuit.
  • the second circuit is composed of the second compressor 18' and which then includes the outlet 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' via the inlet 232 while a new network of pipes 1, 2, 3 connects the outlet 230' of the expander 23' by crossing the exchanger 16 via the inlet 163' and the outlet 162' to the inlet 181' of the second isothermal compressor 18'.
  • the exchanger 16 is therefore crossed by two pipes 2 and 16'.
  • the two circuits composed mainly of two networks each are independent of each other and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which can include a gas other than nitrogen ensures the cooling of the exchanger 16 while the first circuit generates liquid nitrogen by expanding the nitrogen cooled in the exchanger and compressed in the compressor.
  • the cooling circuit compensates for 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 pipe 25 which supplies the regulator where the liquid nitrogen is generated.
  • the compressor 18 and the expander 23 can be driven by an electric motor connected by the same drive shaft.
  • While the compressor 18' and the regulator 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 being preferentially must be close to the liquefaction point.
  • the system is designed so that, during its implementation, a succession of cycles occurs 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 different orifices (inlets, outlets) of the regulator 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 different orifices (inlets, outlets) of the regulator and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust).
  • Such means are known per se and are not described in detail.
  • inlet 183 is not necessary, the gaseous nitrogen being injected, already under pressure, for example in line 19.
  • the system includes two circuits each connected to the compressor and the regulator so that the nitrogen circulates there in a closed circuit.
  • the first circuit operating at high pressure (for example between 5 and 100 bars), connects the orifices 180 to 231.
  • the second circuit operating at low pressure (for example between 1 and 10 bars), connects the orifices 230 to 181.
  • the nitrogen gas contained in the first circuit under pressure by means of the compressor is expanded in the second circuit by means of the regulator.
  • the pressures in the two circuits will be regulated so as to maintain at a predetermined pressure level by adjusting the quantities of fluids admitted into the regulator on the one hand and the nitrogen brought into the system by the compressor on the other hand.
  • an air or nitrogen admission step 70 via the inlet 183 and a compression step 72 in the compressor 18 are implemented so as to supply the first circuit (step d exhaust 73) via port 180 to put it under pressure.
  • 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 regulator while maintaining the pressure in the first circuit via the compressor.
  • step 70 we continue to admit air or nitrogen gas into the compressor (step 70) and compress it isothermally in the compressor (step 72) while implementing an admission step 76 in the expander. of compressed nitrogen gas in order to relax it there (step 79) then to extract it (exhaust step 790) in order to introduce it into the second circuit via the orifice 230.
  • steps 74 and 75 These steps 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 70 of admitting external nitrogen gas stops.
  • the first and second circuits constitute buffer reserves.
  • the start-up phase is followed by a stabilized operating phase, the implementation of which makes it possible to produce liquid nitrogen.
  • the ambient nitrogen admission step 70 is stopped. The system then operates in a closed circuit.
  • a step 94 of determining at least one piece of information representative of the quantity of nitrogen liquid 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 of determining the moment to switch from an admission 80 to an admission 93 consists of implementing a step of measuring the pressure in the first or in the second circuit, then a step of comparing the pressure value measured at a predetermined low threshold value, the switch from admission step 71 to step 70 taking place upon reaching this threshold value.
  • Another way of determining the moment to switch from an admission 80 to an admission 93 consists of implementing a step of measuring the quantity by mass or volume of liquid nitrogen produced, then a step of comparing the measured value to a predetermined threshold value, the switching from the admission step 80 to step 93 taking place upon reaching this threshold value.
  • the system operates to produce liquid nitrogen, but no longer in a closed circuit momentarily, the reintroduced gaseous nitrogen being compressed isothermally inside the compressor 18 (step 98).
  • the nitrogen gas will be injected, already under pressure, for example into the pipe 19.
  • the admission step 93 and the compression step 98 are not required.
  • the quantity of hot nitrogen coming from the compressor and introduced into the exchanger is therefore greater than the quantity of cold non-liquefied nitrogen coming from the expander and introduced into the exchanger.
  • the process thus comprises a step 99 of direct admission into the regulator 23 of another part of the nitrogen gas compressed in the compressor 18.
  • the admission step 99 temporarily replaces step 85 of admission of compressed nitrogen gas.
  • this part of compressed nitrogen gas escapes from the compressor 18 via the outlet 182 and is routed into the regulator 23 via the pipe 24 and the inlet 232.
  • the process also includes a step 100 of expanding the compressed gaseous nitrogen admitted directly into the regulator 23. This expansion induces the production of cold non-liquefied nitrogen which, after having escaped from the regulator (step 101), is then admitted into the exchanger via line 20 and inlet 163 to improve the efficiency of the exchanger.
  • the direct admission 99 into the regulator 23 of gaseous nitrogen coming from the compressor 18 via the pipe 24 is implemented according to the need for cooling in the exchanger 18.
  • a temperature probe T° can for example be placed at the outlet 160 of cooled compressed nitrogen from the exchanger to implement a step 800 of measuring the temperature of the cooled nitrogen leaving the exchanger then a step 801 of comparing this temperature with a high temperature threshold predetermined, to control the implementation of direct admission step 99 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.
  • direct admission step 99 To stop the implementation of direct admission step 99, a step 802 of comparing the measured temperature with a predetermined low temperature threshold is implemented. Direct admission step 99 is stopped when this low threshold is reached. Compressed nitrogen gas admission step 85 once again replaces direct admission step 99.
  • An initialization phase must be implemented prior to the direct admission step 99 in order to pressurize the pipe 24.
  • the orifice 182 is opened instead of the orifice 180 of the compressor in operation until until the pressure in pipe 24 reaches a predetermined threshold value. When this threshold value is reached, we move into a phase of stabilized operation.
  • line 24 is maintained under pressure by opening outlet 182 of the compressor, the nitrogen being able to come either from inlet 183 (when external nitrogen must be reintroduced into the system) either from entry 181.
  • Two different regulators could be used, one to expand compressed and then cooled nitrogen circulating in line 15, the other to expand compressed nitrogen circulating in line 24. The two expansions could then take place simultaneously.
  • One of this regulator will include an inlet 231 and an outlet 230.
  • the other will include an inlet 232 and an outlet 230.
  • Two compressors can be used.
  • One of these compressors will include an inlet 181, an outlet 180 and where appropriate an inlet 183.
  • the other will include an inlet 181, an outlet 182 and where appropriate an inlet 183.
  • the two compressions in these compressors can take place simultaneously.
  • the first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expander 23, the exchanger 16, the two pipe networks between the orifices 230,181 and 231,180, the separator 21 with the liquid nitrogen outlet 26 and the 'entry 183 of nitrogen gas. Line 24 is found in the second circuit.
  • the second circuit is composed of the second compressor 18' and which then includes the outlet 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' via the inlet 232 while a new network of pipes 1, 2, 3 connects the outlet 230' of the expander 23' by crossing the exchanger 16 via the inlet 163' and the outlet 162' to the inlet 181' of the second isothermal compressor 18'.
  • the exchanger 16 is therefore crossed by two pipes 2 and 16'.
  • the two circuits composed mainly of two networks each are independent of each other and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which can include a gas other than nitrogen ensures the cooling of the exchanger 16 while the first circuit generates liquid nitrogen by expanding the nitrogen cooled in the exchanger and compressed in the compressor.
  • the cooling circuit compensates for 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 pipe 25 which supplies the regulator 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 regulator 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 close to the point of liquefaction.
  • This variant consists of creating an external cold production circuit which passes through the heat exchanger used during the production of liquid nitrogen to cool the gaseous nitrogen 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 power production system and in a generator mode as a liquid nitrogen production system.
  • a mechanical system for producing non-reversible mechanical energy does not include, for example, the valve 14, the valve 21, the pipe 25, the pipe 26 and the orifices 231 and 11'. It may or may not contain pipe 19 and port 181.
  • a mechanical system for producing non-reversible liquid nitrogen does not include valve 14, pipe 12, pump 13 and 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 of the components necessary for operation in motor mode and in mode. generator, the valves 14 and 21 making it possible to make certain pipes non-functional in each of the operating modes.
  • a valve can be placed along pipe 19 to allow in engine mode the admission into the heat exchanger of ambient air and/or compressed gas coming from the regulator, and in generator mode the circulation between outlet 162 of the exchanger and inlet 181 of the compressor.
  • the system that compresses the gas that was used to vaporize the liquid nitrogen makes it possible to produce a large quantity of compressed gas in a compact system.
  • the gas is compressed after being cooled since it is used to vaporize liquid nitrogen.
  • this compressed gas can be injected into an existing regulator, such as for example into the cylinders of the engine of a vehicle in the intake phase.
  • the system according to the invention then constitutes a compressed gas generator capable of performing the function of a turbocharger.
  • Such a compressed gas generation system could also, for example, power a compressed air engine or a compressed air energy storage system.

Description

1. Domaine de l'invention1. Field of the 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.The invention relates to a system and method for producing mechanical energy from liquid nitrogen and/or producing liquid nitrogen or other liquefied gas.

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.In variations, the invention relates to a system for storing energy in the form of liquid nitrogen or other liquid gases such as air.

2. Art antérieur2. Prior art

La demande internationale de brevet portant le numéro WO-A1-2014/154715 , décrit un système mécanique réversible pouvant fonctionner selon deux modes, à savoir :

  • un mode générateur d'azote liquide lors de la mise en oeuvre duquel de l'azote liquide est produit et stocké, et
  • un mode moteur lors de la mise en oeuvre 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.
The international patent application bearing number WO-A1-2014/154715 , describes a reversible mechanical system that can operate in two modes, namely:
  • a liquid nitrogen generator mode during the implementation of which liquid nitrogen is produced and stored, and
  • a motor mode during the implementation of which the liquid nitrogen previously produced and stored is consumed to produce mechanical energy, which can for example be used to drive an alternator and produce electric current or to move a vehicle.

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.In generator mode, the system includes a piston compressor into which nitrogen gas is admitted in order to be compressed. The compressed nitrogen is introduced into an exchanger in which it is cooled before being admitted into a piston expander in which it is expanded and partly liquefied. The liquid nitrogen produced is stored. The unliquefied nitrogen inside the expander is admitted to the heat exchanger to cool the compressed nitrogen gas from the compressor to be admitted back into the compressor.

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 entrainé en rotation du fait de la détente, à l'intérieur des détendeurs, de l'azote vaporisé.In engine mode, the liquid nitrogen, pumped under high pressure, is vaporized in an exchanger then admitted into a first piston expander (which acts as a expander where the liquid nitrogen is formed in generator mode) then into a second piston expander. 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, of the vaporized nitrogen.

La mise en oeuvre 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.The implementation of such generator and motor modes makes it possible to store energy in large quantities by producing liquid nitrogen in a simple and efficient manner and by restoring mechanical energy from said liquid nitrogen by example to drive an alternator and produce electric current or to move a vehicle.

Le document WO 2015/138817 montre un système de production d'énergie à partir d'évaporation d'azote selon l'état de la technique.The document WO 2015/138817 shows a system for producing energy from nitrogen evaporation according to the state of the art.

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.However, it remains possible to further improve the efficiency of the generator mode in order to produce a greater quantity of liquid nitrogen at each expansion, and the efficiency of the motor mode in order to produce a greater quantity of mechanical energy at each expansion.

3. Objectifs de l'invention3. Objectives of the invention

L'invention a notamment pour objectif d'apporter une solution efficace à au moins certains de ces différents problèmes.The invention aims in particular to provide an effective solution to at least some of these different problems.

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.In particular, according to at least one embodiment, an objective of the invention is to increase the efficiency in engine mode of a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen or other liquefied gas.

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.Another objective 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.

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.In particular, the invention aims, according to at least one embodiment, to provide such a system which is simple and/or efficient and/or robust and/or inexpensive.

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.Another objective of the invention is, in at least one embodiment, to increase the overall efficiency and reduce the cost of the energy storage system both in terms of storage and in terms of restitution of energy by the combination of the three objectives mentioned above.

4. Présentation de l'invention4. Presentation of the invention

Pour ceci, l'invention est décrite dans les revendications 1, 11 et 13 et propose en particulier 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.
For this, the invention is described in claims 1, 11 and 13 and proposes in particular a mechanical energy production system comprising at least:
  • a compressor;
  • a regulator;
  • a heat exchanger;
said system having a motor operating mode in which said system further comprises:
  • means for admitting liquid nitrogen under pressure into a liquid nitrogen intake inlet of said exchanger, means for admitting air or gaseous nitrogen into an air or nitrogen intake inlet gas from said exchanger, means for exhausting vaporized nitrogen to a vaporized nitrogen outlet from said exchanger and means for exhausting air or cooled nitrogen to another air or cooled nitrogen gas outlet from said interchange;
  • means for admitting said vaporized nitrogen inside said regulator to relax it there;
  • means for admitting said cooled air or gaseous nitrogen into said compressor to produce compressed air or gaseous nitrogen;
  • means for expanding said compressed air or gaseous nitrogen;
  • means for heating the air or compressed gaseous nitrogen before admission into said expansion means or inside said expansion means;
  • means for recovering energy from the expansion of said vaporized nitrogen and the expansion of said compressed air or gaseous nitrogen.

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 %.For the purposes of the invention, the term gaseous or liquid nitrogen means essentially composed of nitrogen but may include a small proportion of other elements and a lower but sufficient oxygen content if combustion is desired. The nitrogen content of the fluid considered will preferably be between 90 and 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.However, it is possible to use the invention with air. In this case, the invention can be used as a simple and economical air liquefier and for use other than energy storage.

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.Thus, according to this aspect of the invention, the cooling of air or gaseous nitrogen in the exchanger followed by compression, preferably adiabatic, then expansion thereof, with a supply of thermal energy before and/or during expansion, with a significantly larger volume, for example of the order of four times, produces additional mechanical energy.

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.This makes it possible to recover the mechanical energy resulting from the phase change and the heating of the liquid nitrogen and thus to increase the efficiency in engine mode compared to a simple expansion of the liquid nitrogen after pressurization and vaporization.

5. Liste des figures5. List of 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.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading of the following description of particular embodiments, given by way of simple illustrative and non-limiting example, and of the appended drawings among which:
  • there figure 1 illustrates a diagram of a system for producing mechanical energy from liquid nitrogen according to a simplified variant of the invention;
  • there figure 2 illustrates a diagram of a system for producing mechanical energy from liquid nitrogen according to an advanced variant of the invention;
  • THE figures 3 and 4 illustrate means of heating or cooling upstream and in an expander or compressor, respectively simple or staged;
  • there figure 5 illustrates a diagram of a liquid nitrogen production system according to the advanced variant of the invention;
  • there Figure 6 illustrates a flowchart of a process for producing mechanical energy according to the invention
  • there Figure 7 illustrates a flowchart of the start-up phase of a process for producing liquid nitrogen according to the invention;
  • THE figures 8 and 8 bis illustrate the stabilized operating phase of a process for producing liquid nitrogen according to the invention;
  • there Figure 9 illustrates a variant of a system according to the evolved variant of the invention comprising several compressors or expanders;
  • there Figure 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.

6. Description de modes de réalisation particuliers6. Description of particular embodiments 6.1. Production d'énergie mécanique6.1. Mechanical energy production 6.1.1. Système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide6.1.1. Mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen

L'invention concerne un système mécanique de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide.The invention relates to a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen.

i. Version simplifiéei. Simplified version

En référence à la figure 1, on présente un tel système dans une version simplifiée.In reference to the figure 1 , we present such a system in a simplified version.

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.Such a system comprises a pipe 300 of liquid nitrogen under pressure which opens into a liquid nitrogen inlet 301 of a heat exchanger 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.The heat exchanger 302 comprises an outlet of vaporized and heated nitrogen 303 which is connected by a pipe 304 to an inlet of vaporized and heated nitrogen 305 of a compressor/expander 306. The heat exchanger 302 comprises an inlet of ambient air 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.The exchanger 302 is crossed by the pipe 302' which leaves from 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 which passes through it internally, liquid nitrogen, and the fluid which passes through it externally, air or nitrogen. It can consist of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, consist of multiple pipes connected to the inlet 301 and the outlet 303 of the exchanger.

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.The compressor/expander 306 includes an exhaust outlet 307 of expanded air or nitrogen gas. It includes a cooled air inlet 308 which is connected by a pipe 309 to a cooled air outlet 310 of the exchanger 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.The compressor/expander 306 can 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 can for example be connected to an alternator 318 to produce electric current, be used to set a vehicle or other vehicle in motion.

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.Rather than being connected to a crank-rod type system, the compressor/expander piston can be connected to a linear electric motor or alternator.

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.The system includes means for reheating the vaporized nitrogen before admission into the regulator 306 or for reheating inside the regulator 306. They may include a heater 500 placed on the pipe 304. They may alternatively or in addition include means fluid injection 313 in the regulator to ensure heating.

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 311'. 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).In a variant (shown in dotted lines on the figures 1 And 10 ), the inlet 311 can be connected directly to another pressurized nitrogen outlet (residual expansion pressure) 312 of the compressor/expander 306 by means of a pipe 311'. As will become clearer later in relation to the description of the operation of the system, this makes it possible to reduce the size of the system (in particular the exchanger 302, the compressor/expander 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 oeuvre 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.In a variant, which can be combined with the previous variant, the compressor/expander 306 ( figure 1 ) can be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle shown in figure 4 . Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means to admit into a compressor/expander the fluid coming from another expander/compressor with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one. .

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).For two stages of compressor/expander, the high pressure compressor/expander will include in addition to an additional orifice with the pipeline which connects it to an additional orifice of the low pressure expander, the inlet ports 308, and 305, the compressor expander/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 the 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.In another variant according to the Figure 10 and compared to the previous variant where the compressor/expander is staged, the second low pressure stage can include two regulators 306' and 306" each connected to the high pressure stage by the pipes 400 and 400' themselves connected to the orifices 600, 601, 602, 603. One of the low pressure regulators may include an exhaust to the open air via outlet 307 and the other low pressure regulator, an exhaust via outlet 312 which can be connected to the inlet of the exchanger 311 via the pipe 311' as indicated in a previous variant.

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".In this variant, the means for heating the vaporized nitrogen before admission into a regulator or for heating inside a regulator can be arranged in each of the compressor regulators and alternatively or in addition on the intake pipe of each two. So on the Figure 10 , 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".

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.These heating means can for example be provided by the direct injection of an energetic fluid such as gasoline with combustion or by a fluid having a significant specific heat such as water. In the variants in which the reheating takes place outside the expander, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a heat transfer fluid itself heated by a heat source: solar concentration, gas or gasoline combustion.

Ce réchauffage augmente le volume du gaz à détendre et diminue la consommation d'azote liquide pour la même quantité d'énergie mécanique produit.This reheating increases the volume of the gas to be expanded and reduces the consumption of liquid nitrogen for the same quantity of mechanical energy produced.

Une sonde de pression P est placée optionnellement sur la canalisation 311' et une sonde de température T° est placée optionnellement sur la canalisation 304.A pressure probe P is optionally placed on pipe 311' and a temperature probe T° is optionally placed on pipe 304.

ii. Version évoluéeii. Advanced version

En référence à la figure 2, on présente un tel système dans une version plus évoluée.In reference to the figure 2 , we present such a system in a more advanced version.

Un tel système comprend un réservoir d'azote liquide 10.Such a system includes a liquid nitrogen tank 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.This tank 10 includes a liquid nitrogen outlet 11 which is connected to a pipe 12 between two portions of which a pump 13 is placed. The pump 13 can be placed in the tank 10. It is optional the pressure which can be obtained by the heating of the tank for example.

La canalisation 12 débouche dans une vanne 14.Pipeline 12 opens into a valve 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.The valve 14 comprises an outlet which is connected by a pipe 15 to the liquid nitrogen inlet 160 of a heat exchanger 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 oeuvre.Valve 14 is optional and pipes 12 and 15 can constitute a single pipe when valve 14 is not used.

L'échangeur de chaleur 16 comprend une sortie 161 d'azote vaporisé réchauffé.The heat exchanger 16 includes an outlet 161 of heated vaporized nitrogen.

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.The exchanger 16 is crossed by the pipe 16' which starts from the inlet 160 of the exchanger to the outlet 161 of the exchanger. Pipe 16' serves as a heat exchange surface in the exchanger with the fluid which passes through it internally, liquid nitrogen, and the fluid which passes through it externally, air or nitrogen. It can consist of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, consist of multiple pipes connected to the inlet 160 and the outlet 161 of the exchanger.

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 T°.The heated vaporized nitrogen outlet 161 is connected to a pipe 17 which opens to the vaporized nitrogen inlet 180 of a regulator 18 and optionally carries a T° temperature probe.

L'échangeur de chaleur 16 comprend une entrée d'admission d'air 162 préférentiellement à température ambiante ou inferieure. 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.The heat exchanger 16 includes an air intake inlet 162 preferably at ambient temperature or lower. This inlet 162 can optionally and alternatively be connected by a pipe 19 to an outlet optional nitrogen gas under pressure (residual pressure from the expansion) 181 of the regulator 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.The heat exchanger 16 includes an outlet 163 for cooled air or nitrogen. This outlet is connected to a pipe 20 which opens into a valve 21.

La canalisation 20 comporte optionnellement une sonde de température T.Pipe 20 optionally includes a temperature probe 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.The valve 21 is connected by a pipe 22 to an air or cooled nitrogen intake inlet 230 of an adiabatic compressor 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 oeuvre.Valve 21 is optional and pipes 20 and 22 can constitute a single pipe when valve 21 is not used.

Le compresseur adiabatique 23 comprend une sortie 232 d'air ou d'azote comprimé.The adiabatic compressor 23 includes an outlet 232 for compressed air or nitrogen.

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.The compressed air or nitrogen outlet 232 is connected by a pipe 24 to an air or compressed nitrogen inlet 182 of the regulator 18.

Le détendeur 18 comprend une sortie d'échappement d'azote gazeux 183.The regulator 18 includes a nitrogen gas exhaust outlet 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 11' 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.The valve 14 is optionally connected to an optional pipe 25 which is connected to an optional orifice 231 of the adiabatic compressor 23. The valve 21 is optionally connected to an optional pipe 26, connected to an optional orifice 11', of the liquid nitrogen tank 10 optional. These optional elements are not useful for the production of mechanical energy. As will be described later, they are used for the production of liquid nitrogen.

Le détendeur 18 et le compresseur adiabatique 23 comprennent chacun un arbre d'entrainement 184, 233.The expander 18 and the adiabatic compressor 23 each include a drive shaft 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.The system includes an output shaft 27. This can for example be connected to an alternator 28 to produce electric current, be used to set a vehicle in motion or the like.

l'arbre d'entrainement 184 du détendeur 18 constitue ou est relié à l'arbre de sortie 27 du système directement ou par une transmission.the drive shaft 184 of the regulator 18 constitutes or is connected to the output shaft 27 of the system directly or by a 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 oeuvre pour entraîner l'arbre d'entrainement du compresseur 23.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. Otherwise, auxiliary motor means must be placed used to drive the drive shaft of the compressor 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.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 a single and same tree, as shown on the figure 2 . In this case, the expander causes both the adiabatic compressor and the output shaft to move.

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'entrainement du compresseur.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 expander constitutes the expansion valve drive shaft and the compressor crankshaft constitute the compressor drive shaft.

Le compresseur et le détendeur partage préférentiellement le même vilebrequin qui constitue ou est relié à l'arbre de sortie du système.The compressor and the expander preferably share the same crankshaft which constitutes or is connected to the output shaft of the system.

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'entrainement 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.Alternatively, the expander and the compressor could each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor comprising respectively the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor. The compressor rotor shaft, the holder rotor shaft and the output shaft may constitute a single shaft.

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.Rather than being connected to a connecting rod crank type system, the pistons of the compressor and/or expander can be connected to a linear electric motor or alternator.

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 oeuvre 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.The compressor and the regulator can make it possible to carry out staged expansions and/or compressions. In this case, the compressor and the expander will be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle represented in figure 4 . Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means for admitting into a compressor/expander the fluid coming from another compressor expander with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one.

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.Inside the expander 18 and the compressor 23, a plurality of cycles are successively produced which will be described in more detail subsequently in relation to the description of the mechanical energy production process.

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.The system according to the invention obviously comprises control means for controlling the opening and closing of the different orifices (inlets, outlets) of the regulator and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust). Such means are known per se and are not described in detail.

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.The system includes means for heating the vaporized nitrogen and/or compressed air or nitrogen gas before admission into the regulator or reheating inside the regulator.

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.In reference to the Figure 3 , such heating means include an external heating system 40 placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition comprise an internal heating system 41 allowing the injection of fluid into the regulator which ensures heating.

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.In the different variants, 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 of a fluid with combustion such as gasoline. In the variants in which the reheating takes place outside the regulator, it can be obtained by means of a heat exchanger heated by a heat transfer fluid itself heated by a heat source: solar concentration, gas or gasoline combustion . It could also be a system for heating the walls of the regulator. This is applicable in the context of the simplified version.

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 181' (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.There figure 4 illustrates a variant according to which the regulator is stepped, that is to say it comprises several regulators 18, 18' placed in series, the partially expanded vaporized nitrogen exhaust 181 from one (18) being connected to the inlet of partially expanded vaporized nitrogen 180' from the other (18') via a pipe 42. The inlets/outlets 181' (optionally connected to the orifice 162 of the exchanger 16 via pipe 19) and 183 are arranged in the low pressure regulator 18' and the inlets/outlets 180 and 182 are arranged in the high pressure regulator 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.In this case, the heating means comprise an external heating system 40 placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition comprise an internal heating system 41 allowing the injection of fluid into the regulator (hot fluid such as water without combustion inside the regulator or fluid with combustion inside the regulator) which ensures heating. They may also include an external heating system 43 placed on the pipe(s) 42 and/or an internal heating system 44 (of the type of system 41) placed in the regulator(s) 18'. It could also be a system for heating the walls of the regulator(s).

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.A system such as that described in relation to the figure 4 can also make it possible to create a staged compressor by placing several compressors 18' and 18 in series. In this case, the internal and/or external heating means are in made means of cooling.

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.In a variant, in which the pressure in the pipes 17 and 24 is substantially equal, these two pipes can be connected and open into the same and single inlet 180 or 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 oeuvre, l'un dans lequel débouche la canalisation 17 et l'autre dans lequel débouche la canalisation 24.In another variant in which the pressures inside the pipes 17 and 24 will be different, two regulators can be used, one into which the pipe 17 opens and the other into which the pipe 24 opens.

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.In another variant, the expansion of the cooled air or nitrogen can take place after compression in the compressor 23 which will then act as an expander after the compression phase.

L'énergie mécanique due à la détente à l'intérieur du compresseur 23 sera alors récupérée au niveau de son arbre d'entrainement. 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.The mechanical energy due to the expansion inside the compressor 23 will then be recovered at its drive shaft. Compressor 23, which will then be a compressor/expander, will include an additional orifice 234 for the exhaust of cold air or nitrogen compressed therein and means of heating in the expander/compressor and/or on line 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.The tank, the pipes and the valve connected to it are optional. What is important is that the system includes a liquid nitrogen inlet intended to be connected to a pressurized liquid nitrogen supply device.

6.1.2. Procédé de production d'énergie mécanique6.1.2. Mechanical energy production process

Un procédé de production d'énergie mécanique à partir d'azote liquide va à présente être décrit en relation avec la figure 6.A process for producing mechanical energy from liquid nitrogen will now be described in relation to the Figure 6 .

i. Version simplifiéei. Simplified version

Le procédé décrit dans ce paragraphe correspond à la mise en oeuvre 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.The method described in this paragraph corresponds to the implementation of the simplified version of the system described in relation to the figure 1 in a variant in which the expander-compressor thereof comprises a liner-piston assembly whose piston is connected to a crankshaft.

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.When starting the system, it is necessary to fill with gaseous nitrogen (i.e. vaporized) under pressure (for example 300 bar) the pipe 302' of the exchanger and the pipe 304 which is connected to the regulator, before sending the liquid nitrogen under pressure into these pipes, in order to avoid vaporizing too large a quantity of liquid nitrogen due to the fact that these pipes can be at ambient temperature and which would have the effect of increase the pressure in the circuit more than necessary.

Pour cela, il est possible de prévoir par exemple de mettre en oeuvre 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.For this, it is possible to plan for example to implement a step of admitting liquid nitrogen into the pipe 302' (and which constitute a buffer reserve with the pipe 304), by opening the orifice 301 in order to introduce into the pipe 302' a small quantity of liquid nitrogen which, once vaporized and heated, will establish the desired pressure level.

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).The quantity of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 302' and 304 for this start-up phase is related to their volume and the desired pressure (approximately 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.The start-up phase is followed by an engine launch phase then a stabilized operating phase during which the pressure in the pipes 302', 304 is regulated so as to maintain it at a pressure level determined by playing on the quantity of liquid nitrogen admitted through the orifice 301 of the exchanger and in relation to the quantity of air or gaseous nitrogen admitted into the exchanger.

Lorsque les canalisations 304 et 302' sont pressurisés par l'azote gazeux, la phase de lancement du moteur est mise en oeuvre.When the pipes 304 and 302' are pressurized by nitrogen gas, the engine launch phase is implemented.

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.The piston is initially at top dead center, inlet 305 is open, ports 308, 307 and where applicable 312 are closed. Ports 301 and 303 are also open throughout the launch phase and the stabilized operating phase.

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'.Liquid nitrogen is admitted (step 501) under pressure (approximately 200/300 bars) and at approximately -195°C via pipe 300 into the intake inlet 301 of the exchanger 302 then pipe 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.The liquid nitrogen close to -195°C is heated inside the exchanger 302 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized there and reheated until it reaches 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). It takes approximately 1.7 kg of ambient air to bring 1 kg of liquid nitrogen to ambient temperature.

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 oeuvre.A step 504 of admission, into the regulator 306, of vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.

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.For this, the nitrogen vaporized and heated to ambient temperature escaping from the heat exchanger 302 via the vaporized nitrogen outlet 303 is routed into the regulator 306 via the pipe 304 and the open inlet 305.

Bien entendu, les étapes 501 à 504 sont simultanées.Of course, steps 501 to 504 are simultaneous.

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.The vaporized nitrogen introduced into the regulator 306 undergoes a step 505 of expansion inducing the descent of the piston towards its bottom dead center and the setting in motion of the crankshaft: this setting in motion constitutes a step 507 of mechanical energy recovery.

Une étape de réchauffage 602 de l'azote sera mise en oeuvre 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 oeuvre. 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.A nitrogen reheating step 602 will be implemented before admission (approximately 300/600°C) and/or during expansion (approximately 20 to 140°C if fluid injection without combustion) so as to preferably have an exhaust temperature equal to or greater than the ambient temperature. For this, the heating means 500 and/or 313 will be used. If the reheating takes place before admission, the expansion will be preferentially adiabatic, if the reheating takes place during the expansion, the expansion will be preferentially isothermal.

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.The inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the escape of the expanded nitrogen from the regulator 306 (step 506) during the rise of the piston towards its top dead center.

La sortie d'échappement 307 se referme. La phase de lancement du moteur se termine ainsi alors que la phase de fonctionnement stabilisée commence.Exhaust outlet 307 closes. The engine launch phase thus ends while the stabilized operating phase begins.

La phase de fonctionnement stabilisée commence par le choix d'un fonctionnement en mode détente ou d'un fonctionnent en mode compression.The stabilized operating phase begins with the choice of operating in expansion mode or operating in compression mode.

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.To properly vaporize the liquid nitrogen in the exchanger, a certain quantity of air must be introduced. Otherwise, the temperature of the vaporized nitrogen leaving the exchanger is not high enough.

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 oeuvre.To ensure that the temperature of the vaporized nitrogen is sufficient, a step 65 of choosing an expansion mode or a compression mode is implemented.

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.According to a first variant, this choice step 65 consists of measuring the nitrogen temperature inside the pipe 300 at the outlet 303 of the exchanger or the pipe 304.

Lorsque la température mesurée atteindra un seuil prédéterminé signalant que la température suffisante est atteinte, le procédé se poursuivra par une mise en oeuvre du mode détente.When the measured temperature reaches a predetermined threshold signaling that the sufficient temperature has been reached, the process will continue by implementing the relaxation mode.

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 oeuvre du mode compression.When the measured temperature does not reach this predetermined threshold, that is to say the nitrogen is insufficiently heated, the process will continue by implementing the compression mode.

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'.The expansion mode includes a step 50 of admitting liquid nitrogen under pressure (approximately 200/300 bars) and at approximately -195°c via pipe 300 into the admission inlet 301 of the exchanger 302 then the pipeline 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.The liquid nitrogen close to -195°C is heated inside the exchanger 302 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized there and reheated until it reaches 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). It takes approximately 1.7 kg of ambient air to bring 1 kg of liquid nitrogen to ambient temperature.

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 oeuvre.A step 54 of admitting, into the regulator 306, vaporized nitrogen and heated to a temperature close to ambient temperature is implemented.

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.For this, the nitrogen vaporized and heated to ambient temperature escaping from the heat exchanger 302 via the vaporized nitrogen outlet 303 is routed into the regulator 306 via the pipe 304 and the open inlet 305.

Bien entendu, les étapes 51 à 54 sont simultanées.Of course, steps 51 to 54 are simultaneous.

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.The vaporized nitrogen introduced into the regulator 306 undergoes an expansion step 55 inducing the descent of the piston towards its bottom dead center and the setting in motion of the crankshaft: this setting in motion constitutes a step 57 of mechanical energy recovery.

Une étape de réchauffage 62 de l'azote sera mise en oeuvre 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 oeuvre. 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.A nitrogen reheating step 62 will be implemented before admission (approximately 300/600°C) and/or during expansion (approximately 20 to 140°C if fluid injection without combustion) so as to have a exhaust temperature preferably equal to or greater than ambient temperature. For this, the heating means 500 and/or 313 will be used. If the reheating takes place before admission, the expansion will be preferentially adiabatic, if the reheating takes place during the expansion, the expansion will be preferentially isothermal.

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.The inlet 305 closes and the outlet 307 opens to allow the escape of the expanded nitrogen from the regulator 306 (step 56) during the rise of the piston towards its top dead center.

La sortie d'échappement 307 se referme.Exhaust outlet 307 closes.

Le mode compression comprend une mise en oeuvre 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.
Compression mode includes simultaneous implementation of the following steps:
  • step 51 of admission into the ambient air exchanger;
  • step 53 of cooling the air in the exchanger;
  • stage 53 'of admission into the compressor.

Pour la mise en oeuvre 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.To carry out steps 51, 53 and 53', the piston moves again towards its bottom dead center. The cooled ambient air leaving the exchanger 302 via the outlet 310 undergoes an admission step 53' into the compressor 306, flowing into the pipe 309 and passing through the inlet 308 of the compressor.

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.Inlet 308 closes and the piston rises towards its top dead center. The cold air (approximately -195°) then undergoes a step 58 of adiabatic compression (with a pressure ratio of approximately 50) while the piston rises towards its top dead center in the compressor 302. This adiabatic compression has the effect to increase the air temperature to room temperature.

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 oeuvre pendant la détente afin que celle-ci soit préférentiellement isotherme. Pour cela, les moyens de réchauffage 313 seront mis en oeuvre.The compressed air is kept in the chamber and under the effect of the pressure inside the compressor, the piston moves back to its bottom dead center, while the compressed air expands there (step 59) . An air heating step 63 will be implemented during the expansion so that it is preferably isothermal. For this, the heating means 313 will be used.

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.This relaxation induces the movement of the piston and the rotation of the crankshaft and thus the recovery of mechanical energy (step 61). When the piston arrives at bottom dead center, port 307 opens then the piston rises towards its top dead center. The air which still has a certain pressure then escapes from the compressor (step 60) into the ambient air.

La sortie d'échappement 307 se referme.Exhaust outlet 307 closes.

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 oeuvre, puis un nouveau cycle est initié.At the end of the expansion mode as well as that of the compression mode, a new step 65 of choice of the expansion mode or the compressor mode is implemented, then a new cycle is initiated.

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.According to this first variant, step 65 of choice between compression mode and expansion mode is optimized by controlling the temperature of the vaporized nitrogen at the outlet of the exchanger. According to a complementary or alternative variant, this step 65 can be replaced by programming the sequencing of the expansion and compression modes according to the need for heating of the liquid nitrogen and based on the quantity of air necessary for the heating and vaporization of liquid nitrogen. Indeed, we know that to vaporize and heat up to ambient temperature 1 kg of liquid nitrogen requires approximately 1.7 kg of air at ambient temperature, it will therefore be necessary to alternately introduce into the expansion compressor approximately 1 kg of vaporized liquid nitrogen heated to 300 bar for 1.7 kg of air cooled to 1 bar, or even up to 6 bar if the air is recovered in the exhaust as we will see in a variant a little further on.

Ces différentes étapes s'enchainent (dans un temps très court) ainsi pour entraîner en mouvement le vilebrequin.These different stages follow one another (in a very short time) to cause the crankshaft to move.

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.Several identical stages of compression or expansion can follow one another, the aim being that the liquid nitrogen is vaporized and reheated to a temperature close to ambient temperature before being reheated by the heater or being admitted into the expander and that the The air which passes through the exchanger before being compressed is cooled to a temperature close to that of the liquid nitrogen which supplies the engine.

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 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 terme de production d'énergie mécanique.Cooling the air in the exchanger then its adiabatic compression makes it possible to subsequently expand it in the expander with a significantly larger volume, for example of the order of four times, to produce additional mechanical energy. This makes it possible to recover the mechanical energy resulting from the phase change and the heating of the liquid nitrogen and thus to increase the efficiency in terms of mechanical energy production.

La mise en mouvement du vilebrequin du détendeur-compresseur 306 peut par exemple permettre d'entrainer en rotation un alternateur pour produire du courant électrique ou de mouvoir un véhicule.Setting the crankshaft of the expander-compressor 306 in motion can, for example, make it possible to rotate an alternator to produce electric current or to move a vehicle.

Dans la variante selon laquelle l'entrée 311 est relié à la sortie 312 du détendeur/compresseur par la canalisation 311', 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 311', l'échappement à lieu à l'air libre par l'orifice 307, si la pression dans la canalisation 311' 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 oeuvre 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 311' 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 311' est suffisante l'échappement à lieu alternativement à l'air libre par l'orifice 307.In the variant according to which the inlet 311 is connected to the outlet 312 of the expander/compressor via the pipe 311', the gas admitted into the exchanger to vaporize the liquid nitrogen is no longer ambient air but comes from there recovery of exhaust gases from the system in engine mode. In this case, the exhaust step 56 (506) consists of causing the expanded nitrogen to escape no longer through the outlet 307, but through the outlet 312, (the exhaust through the outlet 307 occurs alternately with the outlet 312 when the pressure in the pipe 311', which constitutes a buffer tank, has reached a determined pressure threshold, if the pressure is sufficient in the pipe 311', the exhaust takes place into the open air through the orifice 307 , if the pressure in the pipe 311' is insufficient, the exhaust takes place via the outlet 312 in the pipe 311'). These exhaust gases, still under pressure (approximately 6 bars), are introduced into the exchanger (step 51) and are used to vaporize the liquid nitrogen during step 52. This facilitates heat exchange inside. of the exchanger and reduce its size. In addition, more gas is compressed at each revolution of the engine during the compression step 58. The implementation of this variant requires a start-up step during which the liquid nitrogen, vaporized, heated and expanded in the regulator, escapes into the pipe 311' through the orifice 308. This step is repeated until the pressure in the pipe 311' reaches a predetermined pressure threshold, for example between 1 to 6 bar. Then, during stabilized operation, the pressure in the pipe is maintained by adjusting the quantity of nitrogen admitted through the orifice 312, when the pressure in the pipe 311' is sufficient the exhaust takes place alternately with air free through port 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 oeuvre 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.The other advantage of this variant is that if we recover the exhaust gases at around 6 bars and apply the pressure ratio of 50 for the adiabatic compression of cold nitrogen, we end up with a large quantity of nitrogen at 300 bars at ambient temperature in the compression chamber (when the piston reaches top dead center). We can therefore let this gas escape at high pressure 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 bars and at the same temperature and continue subsequently by several expansions of gas coming from pipeline 304 before carrying out a new compression. The fact of reintroducing the newly compressed gases into the pipe 304 possibly makes it possible to implement the external reheating step 62. After the compression step 58, the inlet 305 opens so that all or part of the compressed air or nitrogen flows into pipe 304 where it joins the nitrogen vaporized under pressure (exhaust stage 400). If all of the air or compressed nitrogen flows into line 304, the cycle continues with step 54. If only part of the air or compressed nitrogen flows into the pipe 304, the cycle continues with step 59. The compression of the cold gas coming from the exchanger can generate the production of too large a volume of compressed gas in the compressor. This volume is so large that it is not possible to completely relax it afterwards except by admitting a smaller quantity of cold gas, or by releasing gases still under pressure into the ambient air, which reduces the effectiveness of the system.

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 311', 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).In another variant where the compressor/expander is staged 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 exchanger is connected to the outlet 312 of the regulator/ compressor through pipe 311', the compression of the cold air coming from the exchanger (step 58) can be done only in the high pressure chamber, following which part of the compressed cold air escapes of the compressor to join the heated vaporized nitrogen in line 304 (step 400) while the other part is directly expanded in the high pressure chamber before joining the low pressure chamber to be completely expanded (step 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.Steps 51, 53, 53', 58 of admission and compression of cold air in the exchanger and the expander, intervene as previously when the liquid nitrogen in line 304 is insufficiently heated.

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.The high pressure compressor/expander will include ports 308 and 305, the low pressure compressor/expander will include ports 312 and 307. The two compressors will each include an additional port connected by a pipe acting as a buffer tank and which may include a heater.

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 311'. Dans cette dernière variante, l'échappement aura donc lieu simultanément à l'air libre et dans la canalisation 311'. 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.In another variant and according to the Figure 10 , the low pressure stage may include two regulators, one of which may include an exhaust to the open air via outlet 307 and the other an exhaust via outlet 312 connected to the inlet of the exchanger 311 via the pipeline 311'. In this last variant, the exhaust will therefore take place simultaneously in the open air and in pipe 311'. This last variant which has 3 cylinders perhaps transformed into a liquid nitrogen generator according to the general indications expressed in the liquid nitrogen generator section depending on the variant where the compressor can be staged. For this we will use the low pressure compressor/expander 306' and the high pressure expander 306 as an isothermal staged compressor while the low pressure expander 313" will be used as an expander.

ii. Version évoluéeii. Advanced version

Le procédé décrit dans ce paragraphe correspond à la mise en oeuvre 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.The process described in this paragraph corresponds to the implementation of the evolved version of the system described in relation to the figure 2 in a variant in which the expanders and compressor each comprise a liner-piston assembly whose piston is connected to a crankshaft.

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.When starting the system, it is necessary to fill the pipe 16' of the exchanger and the pipe 17 (connected to the regulator 18), with nitrogen gas under pressure (for example 300 bar) before sending the liquid nitrogen under pressure in these pipes, this is to avoid vaporizing too large a quantity of liquid nitrogen due to the fact that these pipes are at ambient temperature and which could have the effect of increasing the pressure in the circuit more than necessary .

Pour cela, il est possible de prévoir par exemple de mettre en oeuvre 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.For this, it is possible to plan for example to implement a step of admitting liquid nitrogen into the pipe 16' (and which constitute a buffer reserve with the pipe 17), by opening the orifice 160 in order to introduce into pipe 16' a small quantity of liquid nitrogen which, once vaporized and heated, will establish the desired pressure level.

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).The quantity of liquid nitrogen to be introduced into the pipes 16' and 17 for this start-up phase is related to their volume and the desired pressure (for example 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.The start-up phase also requires placing pipe 24 under a pressure of approximately 50 bar (300 bar if the exhaust gas recovery option is at 6 bar) during the first rounds and to the extent that the volume of the pipe represents a certain volume in relation to the displacement of the compressor. The start-up and therefore the pressurization of this pipeline makes it possible to reach the compression rate necessary for heating the cold gas, during stabilized operation, and which comes from the exchanger, by the adiabatic compression in the compressor. For this it is possible to provide for example that the cooled air which comes from the exchanger 16 or the vaporized nitrogen expanded in the regulator 18 and which arrives in the adiabatic compressor 23 via the pipe 22 via the orifice 230 is admitted in the compressor 23 during the descent of the piston 235 then compressed when the piston rises to escape into the pipe 24 and the cycle is started again until the pressure in the pipe 24 reaches a predetermined threshold value and while continuing to maintain the pressure in pipes 16' and 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.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 pressure level determined by adjusting the quantity of liquid nitrogen admitted by the orifice 160 of the exchanger and in relation to the quantity of air or nitrogen gas admitted into the exchanger.

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.The pressure in the pipe is 24 is also regulated for example by measuring the pressure inside it and by varying the quantity of gas which enters through the orifice 232 of the compressor and which exits through the orifice 282 of the regulator.

Lorsque les canalisations 16', 17 et 24 sont pressurisées par l'azote gazeux, le fonctionnement stabilisé peut commencer.When the pipes 16', 17 and 24 are pressurized by nitrogen gas, stabilized operation can begin.

En fonctionnement stabilisé, les orifices 160 et 161 sont ouverts.In stabilized operation, ports 160 and 161 are open.

Le piston du détendeur se trouve initialement au point mort haut, l'orifice 180 est ouvert. Les orifices 183, 181 et 182 sont fermés.The regulator piston is initially at top dead center, port 180 is open. Ports 183, 181 and 182 are closed.

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.The process comprises a step of vaporizing liquid nitrogen, in the heat exchanger 16 in which ambient air or nitrogen passes substantially at ambient temperature and still under pressure coming from the expander 18 and which is cooled during of its passage through the exchanger 16 via pipe 16'. The gaseous nitrogen obtained during vaporization which, given the pressure, is in a critical phase (vapour/liquid), is heated before being expanded.

Pour cela, de l'azote liquide à -195°C 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).For this, liquid nitrogen at approximately -195°C is taken from the tank 10 by means of the pump 13 so that it passes through the outlet 11 of the tank and flows into the pipes 12 and 15 until 'to be admitted into the intake inlet 160 of the exchanger 16, then 16' (intake stage 50) at a pressure close to approximately 300 bar. Ambient air is admitted via inlet 162 in the exchanger 16 (intake step 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).The liquid nitrogen in the pipe 16' is heated inside the exchanger 16 by the air circulating in the exchanger and is thus vaporized there (vaporization step 52) and reheated to a temperature close to ambient 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 (approximately -195°C).

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.The method then comprises a step 54 of admitting, into the regulator 18, vaporized nitrogen coming from the exchanger 16 and which is at a pressure close to approximately 300 bar and at a temperature for example close to ambient temperature. .

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.For this, the vaporized nitrogen escaping from the heat exchanger 16 via the vaporized nitrogen outlet 161 is routed into the regulator 18 via the pipe 17 and the vaporized nitrogen inlet 180 which opens while the regulator piston is at top dead center.

Bien entendu, les étapes 50, 52 et 54 ont lieu simultanément.Of course, steps 50, 52 and 54 take place simultaneously.

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'entrainement 184 du détendeur, c'est-à-dire du vilebrequin. Ceci correspond à une étape de récupération d'énergie mécanique 57.The vaporized nitrogen introduced into the regulator 18 undergoes an expansion step 55 inducing a movement of the piston, towards its bottom dead center, and the setting in motion of the drive shaft 184 of the regulator, that is to say say the crankshaft. This corresponds to a mechanical energy recovery step 57.

Une étape de réchauffage 62 (entre 300°C à 600°C environ) de l'azote sera mise en oeuvre 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 oeuvre.A reheating step 62 (between approximately 300°C to 600°C) of the nitrogen will be implemented before admission and/or during expansion (10°C to 140°C if fluid injection without combustion). For this, the heating means 40 and/or 41 will be used.

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.After the piston reaches bottom dead center, outlet 183 opens and the piston rises toward top dead center. The vaporized and then expanded nitrogen then undergoes an exhaust stage 56 via outlet 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.In a variant in which the outlet 181 is connected to the inlet 162 of the exchanger, the outlet 181 opens alternately with the free air exhaust outlet 183, in such a way as to obtain a constant pressure (approximately 1 to 6 bars) in the network between orifice 181 and orifice 230 and to ensure the exhaust stage 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.In this case, the nitrogen coming from outlet 181 of the regulator is admitted under pressure (approximately 1 to 6 bar) via pipe 19 into inlet 162 in exchanger 16 during admission step 51, rather than ambient air. When the pressure in pipe 19 is sufficient, the exhaust takes place through port 183 into the open air.

La mise en oeuvre 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.The implementation of this variant requires a start-up step during which the liquid nitrogen, vaporized, heated and expanded in the regulator, escapes into pipe 19 through orifice 181 (step 56) without being admitted into the compressor. This step is repeated until the pressure in the network between orifice 181 and orifice 230 reaches a predetermined pressure threshold, for example 1 to 6 bar. In stabilized operation, the exhaust takes place alternately through port 183 or 181 in such a way as to maintain the desired pressure in the network between port 181 and 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.According to this variant, during the vaporization step 52, 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 there during step 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.The admission into the exchanger of nitrogen under pressure from the regulator rather than ambient air makes it possible to increase the efficiency of the exchanger and therefore to reduce the size of the system.

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.The cooled air or nitrogen leaving the exchanger 16 via the outlet 163 undergoes an admission stage 53' into the compressor 23, flowing through the pipes 20, 22 and passing through the inlet 230 of the compressor. . To do this, inlet 230 opens while the compressor piston goes from top dead center to bottom dead center and the regulator piston goes from bottom dead center to top dead center during the exhaust step 56.

Bien entendu, les étapes 51, 53 et 53' ont lieu simultanément.Of course, steps 51, 53 and 53' take place simultaneously.

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'entrainement 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.Inlet 230 closes and the piston rises towards 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 a temperature close to ambient temperature due to compression. The outlet 232 opens and the compressed air or nitrogen then escapes from the compressor (with a temperature close to ambient temperature for example and which is due to compression) then flows into line 24 acting as a buffer tank during an exhaust stage 58'. Port 232 closes and the compressor piston returns to its bottom dead center while port 182 opens so that this compressed air or nitrogen undergoes a step 54' of admission into the expander through the inlet 182. It undergoes an expansion stage 59 inducing the descent of the piston of the regulator to its bottom dead center and the setting in motion of the drive shaft 184 of the regulator (step 61), then exhaust (step 60) when the piston rises to its top dead center while port 183 opens.

Une étape de réchauffage 62 de l'azote sera mise en oeuvre avant l'admission et/ou pendant la détente. Pour cela, les moyens de réchauffage 40 et/ou 41 seront mis en oeuvre.A nitrogen reheating step 62 will be implemented before admission and/or during expansion. For this, the heating means 40 and/or 41 will be used.

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.The cooling of air or gaseous nitrogen in the exchanger (passed through by the liquid nitrogen which comes from the pump and the tank and is vaporized and heated there) followed by a compression, preferably adiabatic, and a expansion with a thermal energy input into the expander which generates a significantly larger volume of gas, for example of the order of four times, produces an additional mechanical energy.

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.This makes it possible to recover the mechanical energy resulting from the phase change and the heating of the liquid nitrogen and thus to increase the yield compared to a simple expansion of the liquid nitrogen after pressurization and vaporization.

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.When the pressures in pipes 17 and 24 are substantially equal (approximately 300 bars), the admission into the regulator of vaporized nitrogen and the admission of air or compressed nitrogen can be simultaneous. These pipes can also be connected together to achieve admission in a single step and at a single entry point. When 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 higher pressure fluid circulating in them. and the next with the fluid at lower pressure circulating in them.

Lorsque les pressions dans ces deux canalisations sont différentes, deux détendeurs différents pourront être mis en oeuvre, 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.When the pressures in these two pipes are different, two different regulators can be used, one to expand the vaporized nitrogen, the other to expand the air or compressed nitrogen. The two relaxations can then take place simultaneously.

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.If the pressure in line 19 is 6 bars, automatically the pressure at the outlet of the compressor with a pressure ratio of 50 (to obtain the necessary heating) will be 300 bars while the pressure of the vaporized nitrogen will be 300 bars .

La mise en mouvement du vilebrequin ou plus généralement de l'arbre d'entrainement 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.The setting in motion of the crankshaft or more generally of the drive shaft 184 of the regulator 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.

Ces différentes étapes s'enchaînent ainsi pour entraîner en mouvement le vilebrequin.These different stages follow one another to cause the crankshaft to move.

La mise en mouvement de l'arbre d'entrainement 184 du détendeur 18 peut par exemple permettre d'entrainer 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 oeuvre, comme par exemple un moteur électrique ou autre.Setting the drive shaft 184 of the regulator 18 in motion can for example make it possible to rotate an alternator 28 to produce electric current or to move a vehicle. When the drive shaft of the expander and that of the compressor are connected or constitute the same shaft, the mechanical energy generated by the expander makes it possible to drive the compressor. Otherwise, means of driving the compressor must be used, such as for example an electric motor or the like.

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.In another variant in which the compressor 23 is a compressor/expander, after the compression step 58, 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.

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.If all of the air or compressed nitrogen flows into line 24, the cycle continues with a new admission into the regulator 23 of the air or compressed nitrogen coming from line 24 via the orifice 232 then expansion and exhaust through 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.The compressed air or nitrogen present in pipe 24 could be partly expanded in regulator 23 and partly in regulator 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.If part of the compressed air or nitrogen remains in the compressor/expander without flowing into the buffer pipe 24, the cycle includes an expansion in the regulator 23 of this compressed air or nitrogen then and an exhaust through the orifice 234 .

L'intérêt de détendre une partie du gaz dans le détendeur 23 est que si la 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.The advantage of expanding part of the gas in the regulator 23 is that if the machine is reversible into a liquid nitrogen generator, the compressor 23 which is then reversible, must represent a larger displacement than if it is used as a compressor alone.

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.All of the pipes and the heat exchanger preferably constitute buffer reserves so as to have the different fluids necessary at each stage. This will make it easy to synchronize the different stages of the process.

6.2. Production d'azote liquide6.2. Liquid nitrogen production 6.2.1. Système mécanique de production d'azote liquide6.2.1. Mechanical liquid nitrogen production system

L'invention concerne un système mécanique de production d'azote liquide.The invention relates to a mechanical system for producing liquid nitrogen.

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.Components of this system structurally identical to components of the mechanical energy production system previously described in relation to the figure 2 bear the same numbers although their functions in one system or the other may be different.

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.
In reference to the figure 5 , such a system includes an isothermal compressor 18. This compressor 18 includes:
  • an air or nitrogen gas inlet 183;
  • a first compressed air or nitrogen outlet 180;
  • a second compressed air or nitrogen outlet 182;
  • an inlet of non-liquefied nitrogen 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.The first compressed air or nitrogen outlet 180 is connected by a pipe 17 to the compressed air or nitrogen intake inlet 161 of a heat exchanger 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.The heat exchanger 16 includes an outlet of compressed and cooled air or nitrogen 160. This outlet 160 is connected to a pipe 15 connected to a valve 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.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 which passes through it internally, the compressed nitrogen and the fluid which passes through it externally the cold nitrogen which comes from the regulator 23. The pipe 16' can be made up of a set of plates stacked on top of each other and which form conduits or even, be made up of multiple pipes connected, therefore, to the inlet 161 and the outlet 160 of the exchanger.

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.The valve 14 is connected by a pipe 25 to an inlet 231 of compressed and cooled air or nitrogen of a regulator 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.The valve 14 is connected to a pipe 12 on which a pump 13 is mounted and which is connected to a liquid nitrogen outlet 11 of the tank 10. The valve 14 as well as the pipe 12, the pump 13 and the outlet 11 are optional and are not useful for producing liquid nitrogen.

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.The regulator 23 comprises an inlet 232 of compressed air or nitrogen which is connected by a pipe 24 to the second outlet of compressed air or nitrogen 182 of the compressor 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.The regulator 23 includes an outlet 230 of a mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen. This outlet 230 is connected to a pipe 22 which opens into a valve 21.

La vanne 21 intègre des moyens de séparation d'une phase liquide et d'une phase gazeuse.The valve 21 integrates means for separating a liquid phase and a gas phase.

La vanne 21 comprend une sortie reliée par une canalisation 26 à l'entrée d'azote liquide 11' du réservoir d'azote liquide 10.The valve 21 comprises an outlet connected by a pipe 26 to the liquid nitrogen inlet 11' of the liquid nitrogen tank 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.The valve 21 has an outlet connected to a pipe 20 which opens to the non-liquefied nitrogen inlet 163 of the heat exchanger 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.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.

Le détendeur 23 et le compresseur 18 comprennent chacun un arbre d'entrainement 233, 184.The expander 23 and the compressor 18 each include a drive shaft 233, 184.

La sortie 234 n'est pas nécessaire.Exit 234 is not necessary.

Le système comprend un arbre de sortie 27.The system includes an output shaft 27.

Le système comprend des moyens d'entraînement en mouvement des arbres d'entraînement, comme par exemple un moteur électrique ou éolien 28.The system comprises means for driving the movement of the drive shafts, such as for example an electric or wind motor 28.

l'arbre d'entraînement du détendeur est préférentiellement relié à celui du compresseur de sorte que les moyens d'entrainement sont communs au compresseur et au détendeur.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.

L'arbre d'entrainement du compresseur, l'arbre d'entrainement du détendeur et l'arbre de sortie du système peuvent constituer un seul et même arbre. Les moyens d'entrainement sont alors reliés à l'arbre de sortie et peuvent par exemple comprendre un moteur électrique 28 ou éolien.The compressor drive shaft, the expander drive shaft and the system output shaft may constitute one and the same shaft. The drive means are then connected to the output shaft and can for example include an electric motor 28 or a wind turbine.

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 oeuvre 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.The compressor and/or the expander can be staged to compress or expand several times at different pressures, according to the principle shown in figure 4 . Several expanders/compressors (two or more) can thus be implemented with means for admitting into a compressor/expander the fluid coming from another compressor expander with a view to expanding or compressing it at a different pressure than in the previous one.

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'entrainement du compresseur.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 by means of connecting rods 187, 237 to a crankshaft 188, 238. The crankshaft of the expander constitutes the The expansion valve drive shaft and the compressor crankshaft constitute the compressor drive shaft.

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.Rather than being connected to a connecting rod crank type system, the pistons of the compressor and/or expander can be connected to a linear electric motor or alternator.

Le compresseur et le détendeur partage préférentiellement le même vilebrequin qui constitue ou est relié à l'arbre de sortie du système.The compressor and the expander preferably share the same crankshaft which constitutes or is connected to the output shaft of the system.

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'entrainement 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.Alternatively, the expander and the compressor could each consist of a turbine comprising a stator housing a rotor comprising respectively the drive shaft of the expander and the drive shaft of the compressor. The compressor rotor shaft, the holder rotor shaft and the output shaft may constitute a single shaft.

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.The system includes means for cooling the compressed nitrogen in the compressor either inside the compressor and/or at the exhaust when the compressor is staged. The cooling means make it possible to evacuate the heat generated by compression and to reduce the compression force in such a way that the volume of the gas does not increase.

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.These cooling means are preferably identical to the means for heating the system in engine mode which are then reversible. They can in any case be placed in approximately the same places. In the case of staged compression, they allow cooling between each 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 41' 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.In reference to the Figure 3 , such cooling means include an external cooling system 40' placed on the pipes 17 and/or 24. They can alternatively or in addition include a cooling system. internal cooling 41' allowing the injection of fluid into the regulator (cold fluid like water) which ensures cooling. It can also be a compressor wall cooling system.

En référence à la figure 4, ils comprennent des moyens de refroidissement internes 44', 41' et/ou des moyens de refroidissement externes 43', 40'.In reference to the figure 4 , they include internal cooling means 44', 41' and/or external cooling means 43', 40'.

Dans une variante, deux détendeurs pourront être mis en oeuvre. 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.In a variant, two regulators could be used. One of these regulators will include an inlet 231 connected to pipe 25 and an outlet 230 connected to pipe 22. The other will include an inlet 232 connected to pipe 24 and an outlet 230' connected to pipe 25.

Dans une variante, deux compresseurs peuvent être mis en oeuvre. 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 181' reliée à la canalisation 19, une sortie 182 reliée à la canalisation 24 et le cas échéant une entrée 183.In a variant, two compressors can be used. One of the compressors will include an inlet 181 connected to pipe 19, an outlet 180 connected to pipe 17 and, where appropriate, an inlet 183. The other will include an inlet 181' connected to pipe 19, an outlet 182 connected to pipe 24 and, where applicable, an inlet 183.

Dans une variante illustrée à la figure 9, si deux détendeurs et deux compresseurs sont mis en oeuvre, selon les variantes précédentes, il peut y avoir deux circuits allé et retour distincts.In a variant illustrated in Figure 9 , if two expanders and two compressors are used, according to the previous variants, there can be two separate return and return circuits.

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.The first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expander 23, the exchanger 16, the two pipe networks between the orifices 230,181 and 231,180, the separator 21 with the liquid nitrogen outlet 26 and the 'entry 183 of nitrogen gas. Line 24 is found in the second 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 181' du deuxième compresseur isotherme 18'. L'échangeur 16 est donc traversé par deux canalisations 2, et 16'.The second circuit is composed of the second compressor 18' and which then includes the outlet 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' via the inlet 232 while a new network of pipes 1, 2, 3 connects the outlet 230' of the expander 23' by crossing the exchanger 16 via the inlet 163' and the outlet 162' to the inlet 181' of the second isothermal compressor 18'. The exchanger 16 is therefore crossed by two pipes 2 and 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'entrainement. Tandis que le compresseur 18' et le détendeur 23' peuvent être également reliés par un autre arbre d'entrainement 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.The two circuits composed mainly of two networks each are independent of each other and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which can include a gas other than nitrogen ensures the cooling of the exchanger 16 while the first circuit generates liquid nitrogen by expanding the nitrogen cooled in the exchanger and compressed in the compressor. The cooling circuit compensates for 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 pipe 25 which supplies the regulator where the liquid nitrogen is generated. The compressor 18 and the expander 23 can be driven by an electric motor connected by the same drive shaft. While the compressor 18' and the regulator 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 being preferentially must be close to the liquefaction point.

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.As will be described later in relation to the process for producing liquid nitrogen, the system is designed so that, during its implementation, a succession of cycles occurs in the compressor and in the expander.

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.The system according to the invention obviously comprises control means for controlling the opening and closing of the different orifices (inlets, outlets) of the regulator and the compressor in order to synchronize these cycles and their different phases (admission, expansion, compression, exhaust). Such means are known per se and are not described in detail.

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.In a variant and in relation to figures 5 And 9 , inlet 183 is not necessary, the gaseous nitrogen being injected, already under pressure, for example in line 19.

6.2.2. Procédé de production d'azote liquide6.2.2. Liquid nitrogen production process

Un procédé de production d'azote liquide va à présent être décrit en relation avec la figure 7.A process for producing liquid nitrogen will now be described in relation to the 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.In operation, the system includes two circuits each connected to the compressor and the regulator so that the nitrogen circulates there in a closed circuit.

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.The first circuit, operating at high pressure (for example between 5 and 100 bars), connects the orifices 180 to 231. The second circuit, operating at low pressure (for example between 1 and 10 bars), connects the orifices 230 to 181. The nitrogen gas contained in the first circuit under pressure by means of the compressor is expanded in the second circuit by means of the regulator.

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.The pressures in the two circuits will be regulated so as to maintain at a predetermined pressure level by adjusting the quantities of fluids admitted into the regulator on the one hand and the nitrogen brought into the system by the compressor on the other hand.

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 oeuvre 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).When the system is started, an air or nitrogen admission step 70 via the inlet 183 and a compression step 72 in the compressor 18 are implemented so as to supply the first circuit (step d exhaust 73) via port 180 to put it under pressure. To do this, the compressor 18 is operated until the pressure in the first circuit reaches a predetermined threshold value (step 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.Once the first high pressure circuit has been pressurized, the second circuit is filled via the regulator while maintaining the pressure in the first circuit via the compressor.

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 oeuvre 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 oeuvre 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.To do this, we continue to admit air or nitrogen gas into the compressor (step 70) and compress it isothermally in the compressor (step 72) while implementing an admission step 76 in the expander. of compressed nitrogen gas in order to relax it there (step 79) then to extract it (exhaust step 790) in order to introduce it into the second circuit via the orifice 230. These steps 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 70 of admitting external nitrogen gas stops.

Ceci constitue un exemple de phase de mise en route. Une autre mode de mise en route pourrait être mis en oeuvre.This is an example of a getting started phase. Another start-up mode could be implemented.

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.During this start-up phase, the nitrogen, expanding adiabatically, cools. Its circulation in the second circuit therefore induces a start of cooling of the compressed nitrogen gas in the first circuit due to the fact that these two circuits pass through the heat exchanger.

Les premier et deuxième circuits constituent des réserves tampons.The first and second circuits constitute buffer reserves.

La phase de mise en route est suivie d'une phase de fonctionnement stabilisé dont la mise en oeuvre permet de produire de l'azote liquide.The start-up phase is followed by a stabilized operating phase, the implementation of which makes it possible to produce liquid nitrogen.

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.During the stabilized operation phase, the ambient nitrogen admission step 70 is stopped. The system then operates in a closed circuit.

Dans ce fonctionnement en circuit fermé, sont mises successivement en oeuvre 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 11' ;
  • 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).
In this closed circuit operation, are successively put into operation performs the following steps in a loop:
  • an admission step 80 into the heated non-liquefied nitrogen compressor coming from the exchanger 16 via pipe 19 and inlet 181 (the production of this non-liquefied nitrogen will appear more clearly later;
  • a step 81 of isothermal compression in the compressor of non-liquefied nitrogen;
  • a step 82 for exhausting the compressed non-liquefied nitrogen gas compressor;
  • a step 83 of admitting the compressed non-liquefied gaseous nitrogen escaping from the compressor via the outlet 180 to the inlet 161 of the heat exchanger 16;
  • a cooling step 84 inside the compressed non-liquefied gaseous nitrogen exchanger (it will be more clearly described later);
  • a step 85 of admitting, into the regulator 23, gaseous nitrogen compressed then cooled from the heat exchanger 16: for this, the nitrogen gas compressed then cooled escapes from the heat exchanger 16 through the outlet 160 then is admitted into the regulator 23 via the inlet 231;
  • an adiabatic expansion step 86 in the compressed and then cooled gaseous nitrogen expander: this expansion induces the production of liquid nitrogen, the liquefaction of the nitrogen in the expander not being complete;
  • a step 87 of exhausting a mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen through the outlet 230 of the regulator 23;
  • a phase separation step 88 making it possible to separate the liquefied nitrogen from the non-liquefied gaseous nitrogen: the mixture of liquid nitrogen and non-liquefied nitrogen is conveyed via pipe 22 into the valve 21 integrating separation means a liquid phase and a gas phase;
  • a step 89 of recovering liquid nitrogen and possibly a step of conveying the liquefied nitrogen into the tank 10 via the pipe 26 and the inlet 11';
  • a step 90 for recovering non-liquefied nitrogen;
  • a step 91 of admission into the heat exchanger via the inlet 163 of the non-liquefied gaseous nitrogen: the circulation of the non-liquefied gaseous nitrogen, which is cold, in the exchanger makes it possible to cool the gaseous nitrogen compressed in step 84 and therefore heat the non-liquefied nitrogen gas (step 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 oeuvre lors de la phase de mise en route du système.During this closed circuit operation, the production of liquid nitrogen induces a drop in pressure in the circuit consisting of the first and second circuits. To compensate for this drop in pressure, nitrogen gas from outside the circuit must be introduced. For this purpose, rather than admitting non-liquefied nitrogen from the exchanger into the compressor (step 80), ambient gaseous nitrogen is admitted via orifice 183 during an intake step. 93 similar to that implemented during the system start-up phase.

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 oeuvre. 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.To determine the instant at which the admission step 93 replaces the admission step 80 during the stabilized operating phase, a step 94 of determining at least one piece of information representative of the quantity of nitrogen liquid 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.

Une façon de déterminer l'instant pour basculer d'une admission 80 à une admission 93, consiste à mettre en oeuvre 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.One way of determining the moment to switch from an admission 80 to an admission 93, consists of implementing a step of measuring the pressure in the first or in the second circuit, then a step of comparing the pressure value measured at a predetermined low threshold value, the switch from admission step 71 to step 70 taking place upon reaching this threshold value.

Une autre façon de déterminer l'instant pour basculer d'une admission 80 à une admission 93, consiste à mettre en oeuvre 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.Another way of determining the moment to switch from an admission 80 to an admission 93, consists of implementing a step of measuring the quantity by mass or volume of liquid nitrogen produced, then a step of comparing the measured value to a predetermined threshold value, the switching from the admission step 80 to step 93 taking place upon reaching this threshold value.

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).Once the intake switch has been made, the system operates to produce liquid nitrogen, but no longer in a closed circuit momentarily, the reintroduced gaseous nitrogen being compressed isothermally inside the compressor 18 (step 98).

Un cycle de fonctionnement en mode admission externe suffit à remettre le circuit sous pression pour quelques cycles suivants en mode admission interne.One operating cycle in external admission mode is enough to put the circuit back under pressure for a few subsequent cycles in internal admission mode.

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.In the variant according to which the inlet 183 is not necessary, the nitrogen gas will be injected, already under pressure, for example into the pipe 19. The admission step 93 and the compression step 98 are not required.

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 oeuvre 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 oeuvre. On augmente ainsi la quantité d'azote froid introduit dans l'échangeur pour améliorer le refroidissement de l'azote comprimé.Part of the cold nitrogen coming from the regulator escapes from the circuit in liquid form. The quantity of hot nitrogen coming from the compressor and introduced into the exchanger is therefore greater than the quantity of cold non-liquefied nitrogen coming from the expander and introduced into the exchanger. When the use of the heat exchanger no longer makes it possible to sufficiently cool the compressed nitrogen gas coming from the compressor, a direct admission cycle into the compressed nitrogen expander is implemented. The quantity of cold nitrogen introduced into the exchanger is thus increased to improve the cooling of the compressed nitrogen.

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.In stabilized operation, the process thus comprises a step 99 of direct admission into the regulator 23 of another part of the nitrogen gas compressed in the compressor 18. The admission step 99 temporarily replaces step 85 of admission of compressed nitrogen gas.

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.For this, this part of compressed nitrogen gas escapes from the compressor 18 via the outlet 182 and is routed into the regulator 23 via the pipe 24 and the inlet 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.The process also includes a step 100 of expanding the compressed gaseous nitrogen admitted directly into the regulator 23. This expansion induces the production of cold non-liquefied nitrogen which, after having escaped from the regulator (step 101), is then admitted into the exchanger via line 20 and inlet 163 to improve the efficiency of the exchanger.

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 T° peut par exemple être placée à la sortie 160 d'azote comprimé refroidi de l'échangeur pour mettre en oeuvre 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 oeuvre 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.The direct admission 99 into the regulator 23 of gaseous nitrogen coming from the compressor 18 via the pipe 24 is implemented according to the need for cooling in the exchanger 18. A temperature probe T° can for example be placed at the outlet 160 of cooled compressed nitrogen from the exchanger to implement a step 800 of measuring the temperature of the cooled nitrogen leaving the exchanger then a step 801 of comparing this temperature with a high temperature threshold predetermined, to control the implementation of direct admission step 99 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.

Pour stopper la mise en oeuvre 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 oeuvre. 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.To stop the implementation of direct admission step 99, a step 802 of comparing the measured temperature with a predetermined low temperature threshold is implemented. Direct admission step 99 is stopped when this low threshold is reached. Compressed nitrogen gas admission step 85 once again replaces direct admission step 99.

Une phase d'initialisation devra être mise en oeuvre 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.An initialization phase must be implemented prior to the direct admission step 99 in order to pressurize the pipe 24. To do this, the orifice 182 is opened instead of the orifice 180 of the compressor in operation until until the pressure in pipe 24 reaches a predetermined threshold value. When this threshold value is reached, we move into a phase of stabilized operation.

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.During the stabilized operating phase, line 24 is maintained under pressure by opening outlet 182 of the compressor, the nitrogen being able to come either from inlet 183 (when external nitrogen must be reintroduced into the system) either from entry 181.

Deux détendeurs différents pourront être mis en oeuvre, 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.Two different regulators could be used, one to expand compressed and then cooled nitrogen circulating in line 15, the other to expand compressed nitrogen circulating in line 24. The two expansions could then take place simultaneously. One of this regulator will include an inlet 231 and an outlet 230. The other will include an inlet 232 and an outlet 230.

Deux compresseurs peuvent être mis en oeuvre. 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.Two compressors can be used. One of these compressors will include an inlet 181, an outlet 180 and where appropriate an inlet 183. The other will include an inlet 181, an outlet 182 and where appropriate an inlet 183. The two compressions in these compressors can take place simultaneously.

Selon la figure 9, si deux détendeurs et deux compresseurs sont mis en oeuvre, il peut y avoir deux circuits allé et retour distincts.According to Figure 9 , if two expanders and two compressors are used, there can be two separate return and return circuits.

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.The first circuit is composed of the original circuit with the isothermal compressor 18 and the adiabatic expander 23, the exchanger 16, the two pipe networks between the orifices 230,181 and 231,180, the separator 21 with the liquid nitrogen outlet 26 and the 'entry 183 of nitrogen gas. Line 24 is found in the second 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 181' du deuxième compresseur isotherme 18'. L'échangeur 16 est donc traversé par deux canalisations 2, et 16'.The second circuit is composed of the second compressor 18' and which then includes the outlet 182 connected to the pipe 24 itself connected to the second regulator 23' via the inlet 232 while a new network of pipes 1, 2, 3 connects the outlet 230' of the expander 23' by crossing the exchanger 16 via the inlet 163' and the outlet 162' to the inlet 181' of the second isothermal compressor 18'. The exchanger 16 is therefore crossed by two pipes 2 and 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 entrainés par un moteur électrique, le tout relié par le même arbre d'entrainement. Tandis que le compresseur 18' et le détendeur 23' peuvent être également reliés par un autre arbre d'entrainement et entrainés 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 oeuvre au cours de la production de l'azote liquide pour refroidir l'azote gazeux comprimé dans l'échangeur.The two circuits composed mainly of two networks each are independent of each other and can then operate at different pressures, the second circuit which is completely closed and which can include a gas other than nitrogen ensures the cooling of the exchanger 16 while the first circuit generates liquid nitrogen by expanding the nitrogen cooled in the exchanger and compressed in the compressor. The cooling circuit compensates for 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 pipe 25 which supplies the regulator 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 regulator 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 close to the point of liquefaction. This variant consists of creating an external cold production circuit which passes through the heat exchanger used during the production of liquid nitrogen to cool the gaseous nitrogen compressed in the exchanger.

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.Inside the system, a plurality of cycles are thus produced successively making it possible to produce liquid nitrogen which is for example stored in the tank 10.

6.3. Production d'azote liquide ou alternativement d'énergie mécanique6.3. Production of liquid nitrogen or alternatively mechanical energy

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.As described above, the invention relates to a mechanical system for producing mechanical energy from liquid nitrogen and a mechanical system for producing liquid nitrogen.

Ces deux systèmes peuvent être mis en oeuvre de manière totalement indépendante l'un de l'autre.These two systems can be implemented completely independently of each other.

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.Alternatively, the system may be reversible so that it can operate alternately in a motor mode as a mechanical power production system and in a generator mode as a liquid nitrogen production system.

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 11'. Il peut ou non contenir la canalisation 19 et l'orifice 181.A mechanical system for producing non-reversible mechanical energy does not include, for example, the valve 14, the valve 21, the pipe 25, the pipe 26 and the orifices 231 and 11'. It may or may not contain pipe 19 and port 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.A mechanical system for producing non-reversible liquid nitrogen, for example, does not include valve 14, pipe 12, pump 13 and orifices 11 and 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.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 of the components necessary for operation in motor mode and in mode. generator, the valves 14 and 21 making it possible to make certain pipes non-functional in each of the operating modes.

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.A valve can be placed along pipe 19 to allow in engine mode the admission into the heat exchanger of ambient air and/or compressed gas coming from the regulator, and in generator mode the circulation between outlet 162 of the exchanger and inlet 181 of the compressor.

6.4. Variante6.4. Variant

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.In engine mode, the system that compresses the gas that was used to vaporize the liquid nitrogen, makes it possible to produce a large quantity of compressed gas in a compact system. In fact, the gas is compressed after being cooled since it is used to vaporize liquid nitrogen.

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.According to a variant, this compressed gas can be injected into an existing regulator, such as for example into the cylinders of the engine of a vehicle in the intake phase. The system according to the invention then constitutes a compressed gas generator capable of performing the function of a turbocharger.

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.Such a compressed gas generation system could also, for example, power a compressed air engine or a compressed air energy storage system.

Claims (15)

  1. System for producing mechanical energy comprising at least:
    - a compressor (306);
    - an expansion valve (306);
    - a heat exchanger (302);
    said system having a motor operating mode in which said system further comprises:
    - means for intake of pressurised liquid nitrogen into an inlet for intake of liquid nitrogen (301) of said exchanger (302), means for intake (311) of air or of gaseous nitrogen into an inlet for intake of air or of gaseous nitrogen of said exchanger (302), means for escape of vapourised nitrogen to a vapourised nitrogen outlet (303) of said exchanger (302) and means for escape of cooled air or nitrogen to another outlet (310) for cooled air or gaseous nitrogen of said exchanger (302);
    - means for intake (305) into said expansion valve (306) of said vapourised nitrogen to expand it therein;
    - means for intake (308) into said compressor (306) of said cooled air or gaseous nitrogen to produce therein compressed air or gaseous nitrogen;
    - means for expanding said compressed air or gaseous nitrogen;
    - means for recovering energy (318) coming from the expansion of said vapourised nitrogen and from the expansion of said compressed air or gaseous nitrogen;
    characterised in that it further comprises:
    - means for reheating (500, 313) the compressed air or gaseous nitrogen before intake into said expansion means or inside said expansion means;
    - means for reheating (500, 313) said vapourised nitrogen before intake into said expansion valve or inside said expansion valve.
  2. System according to claim 1, comprising means for intake of gaseous nitrogen still under pressure, coming from said expansion valve (306) and/or from said expansion means, into the inlet for intake (311) of air or of gaseous nitrogen of said exchanger (302).
  3. System according to any one of claims 1 to 2, wherein said expansion valve, said expansion means and said compressor are reversible.
  4. System according to any one of claims 1 to 3, wherein said expansion valve, said expansion means and said compressor form a single assembly ensuring at times the function of expansion valve, at times that of expansion means and at times that of compressor.
  5. System according to any one of claims 1 to 4, wherein said expansion valve and said compressor are distinct from one another.
  6. System according to any one of claims 1 to 5, comprising means for intake into said expansion valve of said compressed air or nitrogen, said expansion valve thus forming said means for expansion of said compressed air or gaseous nitrogen.
  7. System according to any one of claims 1 to 6 having an operating mode for generating liquid nitrogen, wherein it comprises:
    - means for intake of compressed gaseous nitrogen into an inlet for intake (161 fig.5) of compressed gaseous nitrogen of said heat exchanger (16, 16' fig.5) to cool it therein;
    - means for intake (231 fig.5) of the compressed and cooled gaseous nitrogen, coming from said exchanger (16 fig.5), into expansion means (23, 235, 236 fig.5) with a view to producing liquid nitrogen;
    - means for separating (21 fig.5) the liquid nitrogen and the non-liquefied nitrogen at the outlet of said expansion means (23, 235, 236 fig.5);
    - means for intake, into an inlet (163 fig.5) for non-liquefied nitrogen of said exchanger (15 fig.5), of the non-liquefied nitrogen coming from said expansion means (23, 235, 236 fig.5);
    - means for intake of the non-liquefied and heated nitrogen coming from said exchanger into compression means with a view to compressing it therein;
    - means for intake, into said inlet (161 fig.5) for compressed gaseous nitrogen of said exchanger (16, 16' fig.5), of the non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means (18, 185 fig.5);
    - means for direct intake (24 fig.5), into said expansion means (23, 235, 236 fig.5), of the non-liquefied and compressed nitrogen coming from said compression means (18, 182, 186 fig.5) to produce compressed then expanded non-liquefied nitrogen;
    - means for intake of said non-liquefied nitrogen, compressed then expanded, coming from said expansion means (23, 235, 236 fig.5), into said inlet (163 fig.5) for non-liquefied nitrogen of said exchanger (16 fig.5);
    - means for intake (183 fig.5) of gaseous nitrogen into said compression means (18, 185, 186 fig.5) to produce said compressed gaseous nitrogen.
  8. System according to claim 7, comprising means for determining at least one piece of information representative of the temperature of the compressed and cooled gaseous nitrogen at the outlet of said exchanger, the direct intake means being implemented to the detriment of said means for intake into said exchanger of non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means when said piece of information representative of said temperature reaches a predetermined upper threshold then not implemented until said piece of information representative of said temperature reaches a predetermined lower threshold.
  9. System according to claim 7 or 8, wherein said means for expanding the non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means are distinct from said means for expanding said compressed then cooled gaseous nitrogen coming from said exchanger.
  10. System according to any one of claims 7 to 9, said system comprising means for going from one mode to the other in a reversible manner.
  11. Method for producing mechanical energy from liquid nitrogen, said method comprising at least:
    - a step of vaporising liquid nitrogen in a heat exchanger (302) through which air or gaseous nitrogen substantially at ambient temperature cooled during its passage through said exchanger passes;
    - a step of intake of the vaporised nitrogen coming from the exchanger into an expansion valve (306);
    - a step of expansion in said expansion valve of said vaporised nitrogen generating mechanical energy;
    - a step of intake into a compressor (306) of the air gaseous nitrogen cooled in said exchanger;
    - a step of compression in said compressor (306) of said cooled air or cooled gaseous nitrogen;
    - a step of intake into expansion means of said cooled then compressed air or gaseous nitrogen;
    - a step of expanding said cooled then compressed air or gaseous nitrogen generating mechanical energy;
    - a step of recovering the mechanical energy resulting from said expansions;
    characterised in that it further comprises:
    - a step of reheating the compressed air or gaseous nitrogen before intake into said expansion means or inside said expansion means;
    - a step of reheating said vaporised nitrogen before intake into said expansion valve or inside said expansion valve.
  12. Method according to claim 11, wherein the nitrogen taken into said exchanger is expanded gaseous nitrogen coming from said expansion valve and/or from said expansion means.
  13. Method for producing liquid nitrogen comprising:
    - a step of cooling compressed air or gaseous nitrogen in a heat exchanger (16 fig.5);
    - a step of expanding in expansion means (23, 235, 236 fig.5) said compressed and cooled air or gaseous nitrogen inducing the production of a mixture of liquid nitrogen and of non-liquefied nitrogen;
    - a step of separating the liquid nitrogen and the non-liquefied nitrogen of said mixture;
    - a step of intake into said heat exchanger (16 fig.5) of the non-liquefied nitrogen to cool therein said compressed air or gaseous nitrogen;
    characterised in that it further comprises:
    - a step of compressing in compression means (18, 185, 186 fig.5) the cooled non-liquefied nitrogen coming from said exchanger;
    - a step of reheating, in said exchanger (16 fig.5), the non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means;
    - a step of direct intake, into said expansion means (23, 235, 236 fig.5), of the non-liquefied and compressed nitrogen coming from said compression means (18, 185, 186 fig.5) to produce compressed then expanded non-liquefied nitrogen;
    - a step of compressing air or nitrogen to produce said compressed air or gaseous nitrogen;
    - a step of intake of said non-liquefied nitrogen, compressed then expanded, coming from said expansion means (23, 235, 236 fig.5), into said exchanger to reheat it therein.
  14. Method according to claim 13, comprising a step of determining at least one piece of information representative of the temperature of the compressed and cooled gaseous nitrogen at the outlet of said exchanger (16 fig.5), said step of direct intake being implemented to the detriment of said means for intake into said exchanger of non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means when said piece of information representative of said temperature reaches a predetermined upper threshold then not implemented until said piece of information representative of said temperature reaches a predetermined lower threshold.
  15. Method according to claim 13 or 14, wherein said step of expanding the non-liquefied then compressed nitrogen coming from said compression means and said step of expanding said compressed then cooled air or gaseous nitrogen coming from said exchanger are carried out simultaneously in distinct expansion means.
EP17784668.0A 2016-09-09 2017-08-30 Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method Active EP3510257B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1601329A FR3055923B1 (en) 2016-09-09 2016-09-09 MECHANICAL SYSTEM FOR PRODUCTION OF MECHANICAL ENERGY FROM LIQUID NITROGEN AND CORRESPONDING METHOD
PCT/FR2017/000158 WO2018046807A1 (en) 2016-09-09 2017-08-30 Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP3510257A1 EP3510257A1 (en) 2019-07-17
EP3510257C0 EP3510257C0 (en) 2024-02-07
EP3510257B1 true EP3510257B1 (en) 2024-02-07

Family

ID=60117701

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP17784668.0A Active EP3510257B1 (en) 2016-09-09 2017-08-30 Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11187114B2 (en)
EP (1) EP3510257B1 (en)
CN (1) CN109690032B (en)
AU (1) AU2017324486B2 (en)
CA (1) CA3036148A1 (en)
FR (1) FR3055923B1 (en)
MA (1) MA46197A (en)
WO (1) WO2018046807A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3053638C (en) * 2017-03-10 2021-12-07 Barry W. Johnston A near-adiabatic engine
CN109578100A (en) * 2018-12-26 2019-04-05 天津大学 A kind of heat exchange-power generation integrated system and control method using liquid nitrogen
EP4264020A1 (en) * 2020-12-17 2023-10-25 Sylans Sagl Plant for producing mechanical energy from a carrier fluid under cryogenic conditions
CN116105074B (en) * 2022-12-07 2024-03-08 北京航天试验技术研究所 High-pressure nitrogen gas supply device and control method thereof

Family Cites Families (36)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3380809A (en) * 1963-10-16 1968-04-30 Air Prod & Chem Process for liquefaction and conversion of hydrogen
US3724229A (en) 1971-02-25 1973-04-03 Pacific Lighting Service Co Combination liquefied natural gas expansion and desalination apparatus and method
IL36741A (en) 1971-04-30 1974-11-29 Zakon T Method for the separation of gaseous mixtures with recuperation of mechanical energy and apparatus for carrying out this method
GB1481682A (en) * 1973-07-12 1977-08-03 Nat Res Dev Power systems
US4197715A (en) 1977-07-05 1980-04-15 Battelle Development Corporation Heat pump
JPS5491648A (en) 1977-12-29 1979-07-20 Toyokichi Nozawa Lnggfleon generation system
US4341072A (en) 1980-02-07 1982-07-27 Clyne Arthur J Method and apparatus for converting small temperature differentials into usable energy
US4449379A (en) 1982-10-25 1984-05-22 Centrifugal Piston Expander Inc. Method and apparatus for extracting heat and mechanical energy from a pressured gas
US4727723A (en) * 1987-06-24 1988-03-01 The M. W. Kellogg Company Method for sub-cooling a normally gaseous hydrocarbon mixture
US5139547A (en) * 1991-04-26 1992-08-18 Air Products And Chemicals, Inc. Production of liquid nitrogen using liquefied natural gas as sole refrigerant
GB9211405D0 (en) 1992-05-29 1992-07-15 Nat Power Plc A compressor for supplying compressed gas
GB2300673B (en) 1992-05-29 1997-01-15 Nat Power Plc A gas turbine plant
JPH09138063A (en) * 1995-11-14 1997-05-27 Osaka Gas Co Ltd Air separating method and air separating device utilizing liquefied natural gas cold heat
US5733941A (en) 1996-02-13 1998-03-31 Marathon Oil Company Hydrocarbon gas conversion system and process for producing a synthetic hydrocarbon liquid
DZ2535A1 (en) * 1997-06-20 2003-01-08 Exxon Production Research Co Advanced process for liquefying natural gas.
US5924305A (en) 1998-01-14 1999-07-20 Hill; Craig Thermodynamic system and process for producing heat, refrigeration, or work
MY117068A (en) * 1998-10-23 2004-04-30 Exxon Production Research Co Reliquefaction of pressurized boil-off from pressurized liquid natural gas
PL372916A1 (en) 2002-04-11 2005-08-08 Richard A. Haase Water combustion technology-methods, processes, systems and apparatus for the combustion of hydrogen and oxygen
US8631657B2 (en) 2003-01-22 2014-01-21 Vast Power Portfolio, Llc Thermodynamic cycles with thermal diluent
DE102004032215A1 (en) * 2004-07-02 2006-01-26 Richter, Manfred Heat energy transformation device for prime mover, has heat exchanger connected with inlet duct of plunger over upper pressure line, and exhaust duct of piston connected with radiator over lower pressure line
US7961835B2 (en) 2005-08-26 2011-06-14 Keller Michael F Hybrid integrated energy production process
BRPI0503705A (en) * 2005-09-05 2007-05-15 Reynaldo Sigiliao Da Costa nitrogen power generation system
US20100058760A1 (en) 2007-03-22 2010-03-11 Felix Wirz Method and device for generating mechanical energy
US20090158739A1 (en) 2007-12-21 2009-06-25 Hans-Peter Messmer Gas turbine systems and methods employing a vaporizable liquid delivery device
CN101981272B (en) 2008-03-28 2014-06-11 埃克森美孚上游研究公司 Low emission power generation and hydrocarbon recovery systems and methods
US7958731B2 (en) 2009-01-20 2011-06-14 Sustainx, Inc. Systems and methods for combined thermal and compressed gas energy conversion systems
WO2010022399A1 (en) 2008-08-22 2010-02-25 Global Research Technologies, Llc Removal of carbon dioxide from air
US9115605B2 (en) 2009-09-17 2015-08-25 Echogen Power Systems, Llc Thermal energy conversion device
US7937948B2 (en) 2009-09-23 2011-05-10 Pioneer Energy, Inc. Systems and methods for generating electricity from carbonaceous material with substantially no carbon dioxide emissions
US20110308276A1 (en) * 2010-06-17 2011-12-22 Air Products And Chemicals, Inc. Method and system for periodic cooling, storing, and heating with multiple regenerators
DE102010027347B4 (en) * 2010-07-16 2021-08-12 Josef Birner Device for carrying out a thermodynamic cycle
WO2012018458A1 (en) 2010-08-06 2012-02-09 Exxonmobil Upstream Research Company System and method for exhaust gas extraction
GB2498382A (en) * 2012-01-13 2013-07-17 Highview Entpr Ltd Electricity generation using a cryogenic fluid
US9810103B2 (en) * 2012-08-02 2017-11-07 Linde Aktiengesellschaft Method and device for generating electrical energy
WO2015138817A1 (en) * 2014-03-12 2015-09-17 Mada Energie Llc Liquid air energy storage systems, devices, and methods
FR3032224B1 (en) 2015-02-02 2017-01-27 Ifp Energies Now METHOD AND SYSTEM FOR CONVERTING THERMAL ENERGY TO MECHANICAL ENERGY USING HEAT EXCHANGE BETWEEN A MOTOR FLUID AND A TRANSPORT FLUID

Also Published As

Publication number Publication date
CN109690032A (en) 2019-04-26
MA46197A (en) 2019-07-17
CN109690032B (en) 2022-03-04
AU2017324486B2 (en) 2023-04-27
FR3055923B1 (en) 2022-05-20
EP3510257A1 (en) 2019-07-17
WO2018046807A1 (en) 2018-03-15
AU2017324486A1 (en) 2019-03-28
US11187114B2 (en) 2021-11-30
EP3510257C0 (en) 2024-02-07
US20190218944A1 (en) 2019-07-18
FR3055923A1 (en) 2018-03-16
CA3036148A1 (en) 2018-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3510257B1 (en) Mechanical system for generating mechanical energy from liquid nitrogen, and corresponding method
EP3052773B1 (en) Thermodynamic system for storing/producing electrical energy
FR3016025A1 (en) COMBINATION OF A COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE UNIT AND A THERMAL POWER PLANT
FR2488650A1 (en) ALTERNATIVE THERMAL MOTOR, METHOD FOR CONTROLLING SUCH MOTOR, AND SET OF ELEMENTS INTENDED TO FORM SUCH A MOTOR BY TRANSFORMING AN EXISTING MOTOR
FR3016876A1 (en) INSTALLATION AND METHOD FOR TREATING EVAPORATION / CONDENSATION OF WATER PUMPED IN A NATURAL ENVIRONMENT
FR2945327A1 (en) METHOD AND EQUIPMENT FOR MECHANICAL ENERGY TRANSMISSION BY COMPRESSION AND / OR QUASI-ISOTHERMAL DETENTION OF A GAS
FR3040773A1 (en) SYSTEM AND METHOD FOR THE TREATMENT OF GAS FROM THE EVAPORATION OF A CRYOGENIC LIQUID
EP2417411B1 (en) Refrigeration process and system for recovering cold from methane by refrigerants
EP1486246A2 (en) Process and device for treating flue gases with energy recovery
WO2019129338A1 (en) Systems for the vaporisation of liquefied gases with fluid recompression
EP3189224B1 (en) Engine with differential evaporation pressures
FR3003897A1 (en) CRYOGENIC THERMAL MACHINE
EP0014630A1 (en) Thermodynamic engine and its use as a motor or as a refrigerating machine
EP3724471A1 (en) Improved system for storing and harvesting energy
FR3138938A1 (en) LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE
WO2023135223A1 (en) Device and method for heating and subsequently expanding a gas
WO2022268830A1 (en) Method for storing and recovering energy with indirect heat storage upon compression
BE412292A (en)
FR2964693A1 (en) INSTALLATION OF ENERGY RESTITUTION
FR3082559A1 (en) Hybrid energy storage and heat displacement device for liquid, gaseous and supercritical fluids
WO2014154715A1 (en) Mechanical system for the production and storage of liquid nitrogen and for the production of mechanical energy from said liquid nitrogen
BE516454A (en)
BE416144A (en)
BE341438A (en)
FR2983916A1 (en) External combustion thermal engine for production of electrical energy from e.g. biomass, has closed circuit containing carbon-dioxide with constant density, and flywheel conserving mechanical energy produced by engine

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20190325

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RAV Requested validation state of the european patent: fee paid

Extension state: MA

Effective date: 20190325

REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40011255

Country of ref document: HK

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20201028

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20230920

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: EP

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 602017078999

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: FRENCH

U01 Request for unitary effect filed

Effective date: 20240220

U07 Unitary effect registered

Designated state(s): AT BE BG DE DK EE FI FR IT LT LU LV MT NL PT SE SI

Effective date: 20240223