EP3698048B1 - Dispositif et procédé de compression et machine de réfrigération - Google Patents

Dispositif et procédé de compression et machine de réfrigération Download PDF

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EP3698048B1
EP3698048B1 EP18765154.2A EP18765154A EP3698048B1 EP 3698048 B1 EP3698048 B1 EP 3698048B1 EP 18765154 A EP18765154 A EP 18765154A EP 3698048 B1 EP3698048 B1 EP 3698048B1
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EP
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gas
motor
compressor
line
compressors
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Fabien Durand
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/16—Combinations of two or more pumps ; Producing two or more separate gas flows
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
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    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/006—Cooling of compressor or motor
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    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40—Fluid line arrangements

Definitions

  • the invention relates to a compression device and method as well as to a refrigeration machine.
  • the invention relates more particularly to a device for centrifugal compression of a working gas, in particular for a refrigeration machine, comprising several centrifugal compressors forming several successive and / or parallel compression stages and several motors for driving the compressors, the device comprising a gas circuit comprising a first inlet pipe for gas to be compressed connected to an inlet of a first compressor for conveying gas to be compressed in the first compressor, the circuit comprising a second pipe connected to an outlet of said first compressor for evacuating the gas compressed in the latter, the second pipe being connected to an inlet of a second compressor for conveying the gas which has been compressed in the first compressor into the second compressor in order to achieve a second compression, the circuit comprising a third pipe cooling unit having an upstream end connected to an outlet of at least one of the compressors and a downstream end connected to an inlet of at least one first motor for transferring a fraction of the gas compressed in said compressor into said at least one first motor in order to limit its heating.
  • a centrifugal compressor using a direct drive between the motor (electric) and the compression wheel (s) requires a flow of gas in order to evacuate the heat generated in the engine. This heat is generated mainly by the losses of the engine and by the friction of the rotor with the gas which surrounds it.
  • This cooling flow is usually injected on one side of the engine (at an inlet) and discharged on the other side (at an outlet) with a higher temperature. It can also be injected in the middle of the engine and be evacuated on both sides of the latter.
  • a more or less significant part of the heat is also usually evacuated by a heat transfer fluid circulating in a circuit surrounding the stator part of the motor (water or air or any other heat transfer fluid making it possible to cool the stator).
  • a heat transfer fluid circulating in a circuit surrounding the stator part of the motor (water or air or any other heat transfer fluid making it possible to cool the stator).
  • the gas circulating in the engine to cool it usually has the same composition as the compressed gas.
  • the motive force necessary to circulate the gas through the engine (s), is generated by one or more compression stages (that is to say by one or more of the compressors ).
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the circuit comprises a fourth pipe having an upstream end connected to an outlet of the first engine to recover the gas having circulated in the first engine and a downstream end connected to an inlet of a second engine to transfer the gas therein with a view to limiting the heating of the second engine.
  • the invention also relates to a low-temperature refrigeration machine of between -100 ° C and -273 ° C comprising a working circuit containing a working fluid, the working circuit comprising a centrifugal compression device and a cooling device and expansion of the compressed gas in the compression device, the compression device conforming to any one of the characteristics above or below.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below.
  • the compression device 18 shown schematically on figure 1 comprises two centrifugal compressors 1, 3 (that is to say two compressor wheels) forming two successive compression stages.
  • the two compressors 1, 3 are each driven by a respective drive motor 5, 6.
  • the compressors 1, 3 are rotated directly by their corresponding motor 5, 6.
  • the device 18 comprises a gas circuit comprising a first inlet pipe 16 for gas to be compressed connected to the inlet of a first compressor 1, in order to convey gas to be compressed in the first compressor 1.
  • the circuit comprises a second pipe 14 having an upstream end connected to an outlet of said first compressor 1 for discharging the gas compressed in the latter.
  • the second pipe 14 has a downstream end connected to an inlet of the second compressor 3, for conveying the compressed gas in the first compressor 1 in the second compressor 3 with a view to performing a second compression (a second compression stage).
  • the second pipe 14 preferably comprises a member 2 for cooling the gas, for example a heat exchanger cooled by a heat transfer fluid. This makes it possible to cool the compressed gas before it enters the second compressor 3.
  • the circuit preferably comprises a member 4 for cooling the gas at the outlet of the second compressor 3 (for example an exchanger in exchange with a coolant).
  • the circuit comprises a third pipe 10 having an upstream end connected to the outlet of a compressor 1 and a downstream end connected to a first 6 of the two motors.
  • the upstream end of the third pipe 10 can be connected to the outlet of the first compressor 1 via the second pipe 14. That is to say that the third pipe 10 is connected by branch to the second pipe 14 between the first 1 and second 3 compressors.
  • the third pipe 10 takes a fraction of the compressed gas intended to supply the second compressor 3 in order to sweep (cool) the first engine.
  • This fraction can correspond to one to forty percent of the gas flow leaving the first compressor 1.
  • the third pipe 10 may comprise a valve 8 for regulating the flow rate of the gas transferred into the first motor 6 (or any other suitable member, in particular a pressure reducing member such as an orifice, turbine, Ranque tube or vortex tube, orifice , capillary).
  • a valve 8 for regulating the flow rate of the gas transferred into the first motor 6 (or any other suitable member, in particular a pressure reducing member such as an orifice, turbine, Ranque tube or vortex tube, orifice , capillary).
  • the circuit comprises a fourth pipe 12 having an upstream end connected to an outlet of the first motor 6 to recover the gas having circulated in the first motor 6 and a first downstream end connected to an inlet of a second motor 5 in order to transfer the gas therein. in order to limit the heating of the second motor 5.
  • the fourth pipe 12 comprises a gas cooling member 13 for cooling the gas between its outlet from the first engine 6 and its entry into the second engine 5.
  • this cooling member 13 comprises a heat exchanger in exchange. thermal with a cooling heat transfer fluid.
  • the cooling gas which has circulated in the second motor 5 is discharged via a fifth pipe 7 having an upstream end connected to an outlet of the second motor 5 (to recover the gas having circulated in the second motor 5 and a downstream end connected to the inlet of the first compressor 1 with a view to its compression
  • the fifth line 7 can be connected to the inlet of the first compressor 1 via the first line 16.
  • the fifth pipe 7 (and possibly the fourth pipe 12) can also be used if necessary to recover the gas coming from any leaks (at the level for example of joints located near the engines, such as rotary joints for example).
  • the fifth pipe 7 may comprise a member 9 for cooling the gas, for example a heat exchanger in thermal exchange with a coolant coolant.
  • the fourth pipe 12 may include a second downstream end connected to the fifth pipe 7 and a valve system 11 for distributing the flow of gas coming from the first motor 6 between the second motor. 5 and the fifth line 7. That is to say that the gas leaving the first motor 6 (cooling gas) can be distributed between the second motor 5 (to cool it) and the inlet of the first compressor 1. This is obtained. via two parallel lines and at least one valve 11 (and / or any other pressure reducing device: turbine, orifice, etc.).
  • the valve 11 (or equivalent) can be arranged at the terminals of the motor 6 (or motors).
  • the valve 11 (or the valves) can be a piloted control valve.
  • a bypass line from the first motor 6 can be provided (for example between the third line 10 and the fourth line) to relatively reduce the quantity of cooling gas in the first motor 6 with respect to the quantity of cooling gas. of the second motor 5.
  • a bypass pipe can be provided between the second pipe 14 (for example after the cooling member 2) and the fourth pipe (upstream or downstream of the cooling member 13).
  • a pipe system (s) and valve (s) can be provided to distribute different quantities of cooling gas between the first motor 6 and the second motor 5 as required.
  • a bypass valve 11 can advantageously be placed between the inlet and the outlet of the cooling gas of the second motor 5 in order to limit the flow of cooling gas through this second motor 5 in the event that it is is too important.
  • the mechanical power required to compress for example a flow rate of 1.26 kg / s of gaseous nitrogen having an initial pressure of 5 bars absolute and a temperature of 288 K at a pressure of 18.34 bars absolute is 188 kW.
  • This compression power can be divided into 88kW for the motor 5 which drives the first compressor 1 and 100kW for the motor 6 which drives the second compressor 3.
  • the nitrogen is compressed for example up to 8.87 bar absolute in the first centrifugal compression stage 1 having a power of 83 kW and a typical isentropic efficiency of 86%. Then this compressed gas is cooled in the heat exchanger 2.
  • Part of the gas is withdrawn via valve 8 to cool the first motor 6.
  • the rest (the main flow) is then compressed again to 18.34 bar absolute in the second compression stage 3.
  • This second compressor 3 has for example a power of 95 kW and a typical isentropic efficiency of 86%.
  • the gas is cooled in the heat exchanger 4 at the outlet of the second compressor 3.
  • the gas is then brought to the outlet 15 of the device 18.
  • Part of the nitrogen flow at the outlet of the exchanger 2 will therefore be sent through the valve 8 and the third pipe 10 to supply the first engine 6 with cooling gas.
  • the nitrogen will then escape from the first motor 6 via the fourth pipe 12 and join the exchanger 13 to be cooled to a temperature preferably close to or equal to the inlet temperature of the first compressor 1.
  • This cooling is carried out before the gas enters the second engine 5.
  • the rise in the temperature of the gas through the second motor 5 is preferably of the same order of magnitude as that through the first motor 6 (the flow rate and the power to be extracted are preferably close).
  • the cooling gas After passing through the second engine 5, the cooling gas is sent to the downstream heat exchanger 9 via the fifth pipe 7 to be cooled before returning to the inlet 16 of the first compressor 1.
  • the solution according to the invention uses the same gas flow which is put into operation. circulation to cool two engines (in series on the cooling gas circuit). This allows the necessary cooling gas flow rate to be halved.
  • the invention allows efficient cooling (thermally and energetically) of a plurality of motors of a compression device.
  • the gas used for cooling the engines could be taken from the outlet of another or more compressors other than the first compression stage.
  • the device could include more than two compressors and more than two motors.
  • expansion turbines could be included in the device.
  • one or more expansion stages can be mounted on the same motor shaft as one or more compressors.
  • cooling members 9, 13 can be omitted (their use makes it possible to improve the efficiency of the system, but the latter are not necessary).
  • valve or valves 8, 11 can advantageously be adjustable so as to control, for example, the temperature of one or more motors and / or the cooling flow rate and / or the temperature of the cooling gas.
  • these expansion members 8, 11 can, if necessary, cool the gas before it enters the engine (s).
  • these expansion devices 8, 11 can be replaced (or supplemented) by any other pressure-reducing device such as an orifice, turbine or capillary, for example.
  • the valves 8, 11 can be replaced by or associated with one or more turbines and / or Ranque tubes (vortex tube).
  • the member 8 can be located alternately on the second pipe 14, for example.
  • the member 11 can be located alternately on the first pipe 16, for example.
  • rotary joints can be used between the engine (s) 5, 6 and the compression stage (s) 1, 3 or the expansion stage (s) so that the pressure in the cavities of the engine is close to zero.
  • lowest compressor pressure i.e. the compressor inlet pressure 13. This has the consequence of lowering the friction losses between the rotor (s) and the gas because these losses are proportional to the pressure in the engine cavity. Leaks recovered from this or these seal (s) will add to the flow of cooling gas from the third line.
  • the compression device 18 may form part of a refrigeration machine at low temperature, for example between -100 ° C and -273 ° C, and comprising a working circuit 10 containing a cooling fluid. work, the work circuit comprising a centrifugal compression device 18 and a device 19 for cooling and expanding the compressed gas in the compression device 18.
  • the working gas can include all or part of: nitrogen, helium, hydrogen, neon, argon, carbon monoxide, methane, krypton, xenon, l ethane, carbon dioxide, propane, butane, oxygen.

Description

  • L'invention concerne un dispositif et un procédé de compression ainsi qu'une machine de réfrigération.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou parallèles et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur, le circuit comprenant une seconde conduite reliée à une sortie dudit premier compresseur pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite étant reliée à une entrée d'un second compresseur pour acheminer le gaz qui a été comprimé dans le premier compresseur dans le second compresseur en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant une troisième conduite de refroidissement ayant une extrémité amont raccordée à une sortie d'au moins un des compresseurs et une extrémité aval raccordée à une entrée d'au moins un premier moteur pour transférer une fraction du gaz comprimé dans ledit compresseur dans ledit au moins un premier moteur en vue de limiter son échauffement.
  • Un compresseur centrifuge utilisant un entrainement direct entre le moteur (électrique) et la ou les roues de compression (c'est-à-dire sans multiplicateur de vitesse) nécessite un débit de gaz afin d'évacuer la chaleur générée dans le moteur. Cette chaleur est générée principalement par les pertes du moteur et par le frottement du rotor avec le gaz qui l'entoure.
  • Ce débit de refroidissement est habituellement injecté d'un côté du moteur (au niveau d'une entrée) et évacué de l'autre côté (au niveau d'une sortie) avec une température plus élevée. Il peut aussi être injecté au milieu du moteur et être évacué des deux côtés de celui-ci.
  • Une part plus ou moins importante de la chaleur est aussi habituellement évacuée pas un fluide caloporteur circulant dans un circuit entourant la partie statorique du moteur (eau ou air ou tout autre fluide caloporteur permettant de refroidir le stator).
  • Dans le but de ne pas perdre ou de ne pas polluer le gaz comprimé, le gaz circulant dans le moteur pour le refroidir a habituellement la même composition que le gaz comprimé.
  • Dans le but de limiter le nombre d'équipement, la force motrice nécessaire pour faire circuler le gaz au travers du ou des moteurs, est générée par un ou plusieurs étages de compression (c'est-à-dire par un ou plusieurs des compresseurs).
  • Il existe plusieurs exemples connus utilisant cette technique de refroidissement.
  • Le document US6,64,469 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.
  • Le document US5,980,218 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant de l'échangeur de refroidissement situé en aval du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.
  • Le document US8899945 décrit une architecture à plusieurs moteurs.
  • Ces solutions sont cependant peu adaptées à une architecture à plusieurs moteurs et/ou les performances sont insatisfaisantes.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le circuit comprend une quatrième conduite ayant une extrémité amont reliée à une sortie du premier moteur pour récupérer le gaz ayant circulé dans le premier moteur et une extrémité aval reliée à une entrée d'un second moteur pour y transférer le gaz en vue de limiter l'échauffement du second moteur.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la quatrième conduite comprend un organe de refroidissement du gaz pour refroidir le gaz entre sa sortie du premier moteur et son entrée dans le second moteur,
    • que le circuit comprend une cinquième conduite ayant une extrémité amont reliée à une sortie du second moteur pour récupérer le gaz ayant circulé dans le second moteur et une extrémité aval reliée à l'entrée du premier compresseur en vue de sa compression,
    • le dispositif comprend un système de conduite(s) et de vanne(s) pour répartir les quantités de de gaz de refroidissement entre le premier moteur et le second moteur,
    • la cinquième conduite comprend un organe de refroidissement du gaz,
    • la quatrième conduite a une seconde extrémité aval reliée à la cinquième conduite, le dispositif comprenant un système de de vanne pour répartir le flux de gaz provenant du premier moteur entre le second moteur et la cinquième conduite,
    • la seconde conduite comprend un organe de refroidissement du gaz,
    • l'organe de refroidissement de la seconde conduite comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur,
    • le circuit comprend un organe de refroidissement du gaz à une sortie du second compresseur,
    • la troisième conduite comprend une vanne de régulation de débit du gaz transféré dans le premier moteur,
    • le dispositif comprend au moins un moteur entraînent un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à une ou plusieurs turbines de détente,
    • le dispositif comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs et le ou les compresseurs ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée du compresseur,
    • les compresseurs sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs correspondants,
    • le dispositif comprend plusieurs compresseurs entraînés par un même moteur,
    • le dispositif comprend un ou plusieurs étages de détente formés par un ou des turbines de détente, de préférence centripète et à accouplement direct avec le moteur.
  • L'invention concerne également une machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif de compression centrifuge et un dispositif de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif de compression, le dispositif de compression étant conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
  • L'invention concerne également un procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou parallèles et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, les compresseurs étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs, le procédé comprenant :
    • une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur puis dans un second compresseur disposé en série ou en parallèle,
    • une étape prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise en circulation de ce gaz prélevé dans un premier un moteur en vue de son refroidissement, le procédé comportant une étape de refroidissement du gaz ayant servi à refroidir le premier moteur puis une étape de mise en circulation de ce gaz refroidi dans un second moteur en vue de son refroidissement.
  • L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
  • D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
    • la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de compression selon l'invention,
    • la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'une machine de refroidissement comprenant un tel dispositif de compression.
  • Le dispositif de compression 18 représenté schématiquement à la figure 1 comprend deux compresseur 1, 3 centrifuges (c'est-à-dire deux roues de compresseur) formant deux étages de compression successifs.
  • Les deux compresseurs 1, 3 sont entraînés chacun par un moteur 5, 6 d'entraînement respectif.
  • De préférence, les compresseurs 1, 3 sont entraînés en rotation de façon directe par leur moteur 5, 6 correspondant.
  • Le dispositif 18 comprend un circuit de gaz comprenant une première conduite 16 d'entrée de gaz à comprimer reliée à l'entrée d'un premier compresseur 1, pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur 1.
  • Le circuit comprend une seconde conduite 14 ayant une extrémité amont reliée à une sortie dudit premier compresseur 1 pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier. La seconde conduite 14 possède une extrémité aval reliée à une entrée du second compresseur 3, pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur 1 dans le second compresseur 3 en vue de réaliser une seconde compression (un deuxième étage de compression).
  • La seconde conduite 14 comprend de préférence un organe 2 de refroidissement du gaz, par exemple un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur. Ceci permet de refroidir le gaz comprimé avant son entrée dans le second compresseur 3.
  • Comme illustré le circuit comprend de préférence un organe 4 de refroidissement du gaz à la sortie du second compresseur 3 (par exemple un échangeur en échange avec un fluide caloporteur).
  • Le circuit comprend une troisième conduite 10 ayant une extrémité amont raccordée à la sortie d'un compresseur 1 et une extrémité aval raccordée à un premier 6 des deux moteurs.
  • Comme illustré, l'extrémité amont de la troisième conduite 10 peut être reliée à la sortie du premier compresseur 1 via la seconde conduite 14. C'est-à-dire que la troisième conduite 10 est raccordée en dérivation à la seconde conduite 14 entre les premier 1 et second 3 compresseurs.
  • C'est-à-dire que la troisième conduite 10 vient prélever une fraction du gaz comprimé destiné à alimenter le second compresseur 3 pour balayer (refroidir) le premier moteur. Cette fraction peut correspondre à un à quarante pourcent du débit de gaz sortant du premier compresseur 1.
  • De préférence, la troisième conduite 10 peut comprendre une vanne 8 de régulation de débit du gaz transféré dans le premier moteur 6 (ou tout autre organe approprié notamment un organe déprimogène tel qu'un orifice, turbine, tube de Ranque ou tube Vortex, orifice, capillaire...)..
  • Le circuit comprend une quatrième conduite 12 ayant une extrémité amont reliée à une sortie du premier moteur 6 pour récupérer le gaz ayant circulé dans le premier moteur 6 et première extrémité aval reliée à une entrée d'un second moteur 5 pour y transférer le gaz en vue de limiter l'échauffement du second moteur 5.
  • C'est-à-dire que le même gaz de refroidissement est utilisé successivement pour refroidir les deux moteurs 6, 5.
  • De préférence, la quatrième conduite 12 comprend un organe 13 de refroidissement du gaz pour refroidir le gaz entre sa sortie du premier 6 moteur et son entrée dans le second moteur 5. Par exemple, cet organe 13 de refroidissement comprend un échangeur de chaleur en échange thermique avec un fluide caloporteur de refroidissement.
  • Le gaz de refroidissement qui a circulé dans le second moteur 5 est évacué via une cinquième conduite 7 ayant une extrémité amont reliée à une sortie du second moteur 5 (pour récupérer le gaz ayant circulé dans le second moteur 5 et une extrémité aval reliée à l'entrée du premier compresseur 1 en vue de sa compression. Comme illustré, la cinquième conduite 7 peut être reliée à l'entrée du premier compresseur 1 via la première conduite 16.
  • La cinquième conduite 7 (et éventuellement la quatrième conduite 12) peut être utilisée également le cas échéant pour récupérer le gaz provenant d'éventuelles fuites (au niveau par exemple de joints situés à proximité des moteurs, tels que des joints tournants par exemple).
  • De même, la cinquième conduite 7 peut comprendre un organe 9 de refroidissement du gaz, par exemple un échangeur de chaleur en échange thermique avec un fluide caloporteur de refroidissement.
  • Comme illustré également, la quatrième conduite 12 peut comporter une seconde extrémité aval reliée à la cinquième conduite 7 et un système de de vanne 11 pour répartir le flux de gaz provenant du premier moteur 6 entre le second moteur 5 et la cinquième conduite 7. C'est-à-dire que le gaz sortant du premier moteur 6 (gaz de refroidissement) peut être réparti entre le deuxième moteur 5 (pour le refroidir) et entrée du premier compresseur 1. Ceci est obtenu via deux lignes parallèles et au moins une vanne 11 (et/ou tout autre organe déprimogène : turbine, orifice...). Bien entendu la vanne 11 (ou équivalent) peut être disposée aux bornes du moteur 6 (ou des moteurs). La vanne 11 (ou les vannes) peut être une vanne de régulation pilotée.
  • De même il peut être prévu une conduite de dérivation du premier moteur 6 (par exemple entre la troisième conduite 10 et la quatrième conduite) pour diminuer relativement la quantité de gaz de refroidissement dans le premier moteur 6 par rapport à la quantité de gaz de refroidissement du second moteur 5.
  • De même, il peut être prévu une conduite de dérivation entre la seconde conduite 14 (par exemple après l'organe 2 de refroidissement) et la quatrième conduite (en amont ou en aval de l'organe 13 de refroidissement).
  • Ainsi, un système de conduite(s) et de vanne(s) peut être prévu pour répartir des quantités différentes de gaz de refroidissement entre le premier moteur 6 et le second moteur 5 suivant les besoins.
  • Par exemple, une vanne de by-pass 11 peut avantageusement être placée entre l'entrée et la sortie du gaz de refroidissement du second moteur 5 afin de limiter le débit de gaz de refroidissement au travers de ce second moteur 5 dans le cas où il est trop important.
    • Exemple de fonctionnement avec de l'azote dans le circuit.
  • Dans la configuration de la figure 1, la puissance mécanique nécessaire pour comprimer par exemple un débit de 1.26 kg/s d'azote gazeux ayant une pression initiale de 5 bars absolu et une température de 288 K à une pression de 18,34 bars absolu est de 188 kW. Cette puissance de compression peut se répartir en 88kW pour le moteur 5 qui entraîne le premier compresseur 1 et 100kW pour le moteur 6 qui entraîne le second compresseur 3.
  • Ceci permet de diminuer la puissance par rapport aux solutions connues (typiquement 6% par rapport à l'état de l'art).
  • En effet, si l'on vient refroidir deux moteurs 5, 6 avec deux flux de gaz distincts (deux flux parallèles prélevés à la sortie d'un compresseur), la quantité de gaz prélevée pour le refroidissement des deux moteurs 5, 6 serait double par rapport à la quantité utilisée dans l'architecture décrite ci-dessus. Cette quantité double de gaz augmente le débit volumique du premier compresseur 1 et donc la puissance requise.
  • Selon un mode de réalisation, l'azote est comprimé par exemple jusqu'à 8,87 bar absolu dans le premier étage de compression 1 centrifuge ayant une puissance de 83 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis ce gaz comprimé est refroidi dans l'échangeur 2 de chaleur.
  • Une partie du gaz est soutiré via la vanne 8 pour refroidir le premier moteur 6. Le reste (le débit principal) est ensuite à nouveau comprimé jusqu'à 18,34 bar absolu dans le deuxième étage de compression 3. Ce second compresseur 3 a par exemple une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans l'échangeur 4 de chaleur en sortie du second compresseur 3. Le gaz est ensuite amené à la sortie 15 du dispositif 18.
  • Sur les 88kW et 100kW de puissance fournies par les moteurs 5, 6, typiquement 5% seront transformés en chaleur (pertes du moteur électrique et pertes par frottement du rotor avec l'azote) soit environ 5kW par moteur.
  • Une partie du débit d'azote à la sortie de l'échangeur 2 va donc être envoyé au travers de la vanne 8 et de la troisième conduite 10 pour alimenter le premier moteur 6 en gaz de refroidissement.
  • L'élévation de la température du gaz au travers du premier moteur 6 va typiquement être limitée à 30 K (pour limiter l'échauffement du moteur) en pilotant la vanne 8. Ceci va se traduire par un débit massique = Puissance/Cp/deltaT = 5000/1048/30=0.159 kg/s.
    • Avec Puissance = les pertes thermiques du moteur à évacuer par le gaz en W
    • Cp= la capacité thermique du gaz (azote dans cet exemple) en J/kg/K.
    • Delta T = l'augmentation de température du gaz entre les conduites 10 et 12 en K (entre l'entrée et la sortie du moteur 6).
  • L'azote va ensuite s'échapper du premier moteur 6 via la quatrième conduite 12 et rejoindre l'échangeur 13 pour être refroidi jusqu'à une température de préférence proche ou égale à la température d'entrée du premier compresseur 1.
  • Ce refroidissement est réalisé avant que le gaz n'entre dans le deuxième moteur 5.
  • L'élévation de la température du gaz au travers du second moteur 5 est de préférence du même ordre de grandeur que celle au travers du premier moteur 6 (le débit et la puissance à extraire sont de préférence proches).
  • Après avoir traversé le second moteur 5 le gaz de refroidissement est envoyé à l'échangeur 9 de chaleur en aval via la cinquième conduite 7 pour être refroidi avant de retourner à l'entrée 16 du premier compresseur 1.
  • Ainsi, par rapport à une solution où les deux moteurs 5, 6 seraient refroidis en parallèle (via deux flux de gaz de refroidissement distincts issu d'un compresseur), la solution selon l'invention utilise un même flux de gaz qui est mis en circulation pour refroidir deux moteurs (en série sur le circuit du gaz de refroidissement). Ceci permet de diviser par deux le débit de gaz de refroidissement nécessaire.
  • Ainsi tout en étant de structure simple et peu coûteuse, l'invention permet un refroidissement efficace (thermiquement et énergétiquement) d'une pluralité de moteurs d'un dispositif de compression.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus.
  • Ainsi, le gaz utilisé pour le refroidissement des moteurs pourrait être prélevé à la sortie d'un autre ou plusieurs autres compresseurs que le premier étage de compression. De plus, le dispositif pourrait comprendre plus de deux compresseurs et plus de deux moteurs. De même, des turbines de détente pourraient être incluses dans le dispositif.
  • De plus, plusieurs étages de compression pourraient être entrainés par un même moteur.
  • En outre, un ou des étages de détente (turbine(s) de préférence centripète(s)) peuvent être montées sur le même arbre moteur qu'un ou plusieurs compresseurs.
  • De plus, tout ou partie des organes de refroidissement 9, 13 peuvent être omis (leur utilisation permet d'améliorer le rendement du système mais ces derniers ne sont pas nécessaires).
  • La ou les vannes 8, 11 peuvent avantageusement être réglable de manière à asservir par exemple la température d'un ou des moteurs et/ou le débit de refroidissement et/ou la température du gaz de refroidissement.
  • De plus ces organes de détente 8, 11 peuvent le cas échéant refroidir le gaz avant son entrée dans le ou les moteurs. De plus ces organes 8, 11 de détente peuvent être remplacés (ou suppléés) par tout autre organe déprimogène tel qu'un orifice, turbine ou capillaire par exemple. Ainsi, les vannes 8, 11 peuvent être remplacées par ou associées à une ou des turbines et/ou des tubes de Ranque (tube Vortex). De même l'organe 8 peut être situé alternativement sur la seconde conduite 14 par exemple. De même, l'organe 11 peut être situé alternativement sur la première conduite 16 par exemple.
  • De plus, des joints tournants peuvent être utilisés entre le ou les moteurs 5, 6 et le ou les étages de compression 1, 3 ou le ou les étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du moteur soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée 13 du compresseur. Ceci a pour conséquence d'abaisser les pertes par friction entre le ou les rotors et le gaz car ces pertes sont proportionnelles à la pression dans la cavité du moteur. Les fuites récupérées de ce ou ces joints s'ajouteront au débit de gaz de refroidissement provenant de la troisième conduite.
  • Comme schématisé à la figure 3, le dispositif 18 de compression peut faire partie d'une machine de réfrigération à basse température, par exemple comprise entre -100°C et -273°C, et comprenant un circuit de travail 10 contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif 18 de compression centrifuge et un dispositif 19 de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif 18 de compression.
  • Le gaz de travail peut comprendre tout ou partie parmi : de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'argon, du monoxyde de carbone, du méthane, du krypton, du xénon, de l'éthane, du dioxyde de carbone, du propane, du butane, de l'oxygène.
  • Selon d'autres particularités possible :
    • il peut être prévu une conduite munie d'un système de vanne reliant la seconde conduite 14 et la quatrième conduite 12,
    • l'organe 2 de refroidissement peut être configuré pour refroidir le gaz à une température plus basse, par exemple 0°C pour améliorer le refroidissement du moteur,
    • l'organe 2 de refroidissement peut le cas échéant être disposé sur la troisième conduite 10 (à la place ou en plus de la seconde conduite 14),
    • le sens de circulation du gaz de refroidissement peut être inversé (d'abord dans le second moteur 5 puis dans le premier 6),
    • le dispositif peut comporter plus de deux moteurs refroidis de la sorte,
    • le dispositif peut comporter plusieurs compresseurs montés sur un moteur et un ou plusieurs étages de détente sur ce moteur ou un autre moteur,

Claims (14)

  1. Dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs (1, 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou parallèles et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1, 3), le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite (16) d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur (1) pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur (1), le circuit comprenant une seconde conduite (14) reliée à une sortie dudit premier compresseur (1) pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite (14) étant reliée à une entrée d'un second compresseur (3) pour acheminer le gaz qui a été comprimé dans le premier compresseur (1) dans le second compresseur (3) en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant une troisième conduite (10) de refroidissement ayant une extrémité amont raccordée à une sortie d'au moins un des compresseurs (1, 3) et une extrémité aval raccordée à une entrée d'au moins un premier moteur (6) pour transférer une fraction du gaz comprimé dans ledit compresseur (1) dans ledit au moins un premier moteur (6) en vue de limiter son échauffement, caractérisé en ce que le circuit comprend une quatrième conduite (12) ayant une extrémité amont reliée à une sortie du premier moteur (6) pour récupérer le gaz ayant circulé dans le premier moteur (6) et une extrémité aval reliée à une entrée d'un second moteur (5) pour y transférer le gaz en vue de limiter l'échauffement du second moteur (5).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quatrième conduite (12) comprend un organe (13) de refroidissement du gaz pour refroidir le gaz entre sa sortie du premier (6) moteur et son entrée dans le second moteur (5).
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit comprend une cinquième conduite (7) ayant une extrémité amont reliée à une sortie du second (5) moteur pour récupérer le gaz ayant circulé dans le second moteur (5) et une extrémité aval reliée à l'entrée du premier compresseur (1) en vue de sa compression.
  4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cinquième conduite (7) comprend un organe (9) de refroidissement du gaz.
  5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la quatrième conduite (12) a une seconde extrémité aval reliée à la cinquième conduite (7).
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un système de conduite(s) et de vanne(s) (11) pour répartir les quantités de gaz de refroidissement entre le premier moteur (6) et le second moteur (5).
  7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la seconde conduite (14) comprend un organe (2) de refroidissement du gaz.
  8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'organe (2) de refroidissement de la seconde conduite (14) comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le circuit comprend un organe (4) de refroidissement du gaz à une sortie (15) du second compresseur (3).
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la troisième conduite (10) comprend une vanne (8) de régulation de débit du gaz transféré dans le premier moteur (6).
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moteur entraînent un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à une ou plusieurs turbines de détente.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs (5, 6) et le ou les compresseurs (1, 3) ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur (1), c'est à dire la pression d'entrée du compresseur (1).
  13. Machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif (18) de compression centrifuge et un dispositif (19) de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif (18) de compression, caractérisé en ce que le dispositif (18) de compression est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12.
  14. Procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs (1, 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou parallèles et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1, 3), les compresseurs (1, 3) étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6), le procédé comprenant :
    - une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur (1) puis dans un second compresseur (3) disposés en série ou en parallèle,
    - une étape prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseur (1) et de mise en circulation de ce gaz prélevé dans un premier moteur (6) en vue de son refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement du gaz ayant servi à refroidir le premier moteur (6) puis une étape de mise en circulation de ce gaz refroidi dans un second moteur (5) en vue de son refroidissement.
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