EP4078015A1 - Dispositif de compression de gaz - Google Patents

Dispositif de compression de gaz

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EP4078015A1
EP4078015A1 EP20830235.6A EP20830235A EP4078015A1 EP 4078015 A1 EP4078015 A1 EP 4078015A1 EP 20830235 A EP20830235 A EP 20830235A EP 4078015 A1 EP4078015 A1 EP 4078015A1
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EP
European Patent Office
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gas
pipe
expansion
compressed
pressure
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EP20830235.6A
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German (de)
English (en)
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EP4078015B1 (fr
Inventor
Alban SESMAT
Mathieu ASSEMAT
Marc VANBALEGHEM
Jérôme CHAMPREDONDE
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GRTgaz SA
Original Assignee
GRTgaz SA
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Publication date
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Publication of EP4078015A1 publication Critical patent/EP4078015A1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D1/00—Pipe-line systems
    • F17D1/02—Pipe-line systems for gases or vapours
    • F17D1/04—Pipe-line systems for gases or vapours for distribution of gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS 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
    • F17C2265/00—Effects achieved by gas storage or gas handling
    • F17C2265/06—Fluid distribution
    • F17C2265/068—Distribution pipeline networks

Definitions

  • the present invention relates to a gas compression device.
  • NVM natural gas stations for vehicles
  • CNG compressed natural gas
  • the present invention aims to remedy all or part of these drawbacks.
  • the present invention relates to a device for compressing a gaseous fluid by recovering the expansion energy of a gas between an upstream gas network under a pressure Pa and a downstream gas network under a pressure Pb less than Pa, which includes:
  • a pneumatic booster comprising a free piston between an expansion chamber and a compression chamber
  • a fourth compressed gaseous fluid line connected to an outlet of the compression chamber.
  • the device which is the subject of the invention uses, in order to use the expansion energy of a fluid to compress a second, a free piston booster.
  • the device which is the subject of the invention makes it possible, by recovering the expansion energy of a gas coming from a gas network at pressure Pa and going into a gas network at pressure Pb, where Pa> Pb, therefore without energy expenditure, compress a gaseous fluid.
  • This gaseous fluid is, for example, gas coming from the upstream network, from a gas reservoir or from the atmosphere. Once compressed, this gaseous fluid supplies a reservoir, for example a natural gas station for vehicles ("CNG”) or a compressed gas network (“CNG" or compressed air).
  • CNG natural gas station for vehicles
  • CNG compressed gas network
  • the free piston comprises an expansion head and a compression head connected by a shaft, a through opening opening out, on the one hand, into the expansion head on the side opposite the compression head and, on the other hand, into a side wall of the tree,
  • the outlet of the expansion chamber to which the second pipe is connected is located on a side face of the expansion chamber and is not obstructed by the expansion head until the through opening does not open into the pressure chamber. relaxation.
  • the free piston booster operates without an external moving part as long as there is a pressure difference between the first pipe and the second pipe.
  • the device of the invention further comprises a valve on the first pipe controlled by a pressure switch positioned downstream of the fourth pipe.
  • an increase in pressure, downstream of the fourth pipe causes the supply of the device to be stopped with gas to be expanded.
  • the device of the invention further comprises an all-or-nothing pressure regulator on the first pipe, the impulse line of which is placed downstream of the fourth pipe.
  • an increase in pressure, downstream of the fourth pipe causes the supply of the device to be stopped with gas to be expanded.
  • the third pipe is connected, at its inlet, to the upstream network, the gas to be compressed being the gas from the upstream network.
  • this gas is natural gas, once compressed, it supplies a reservoir of a natural gas station for vehicles ("NGV”) or a compressed natural gas network (“CNG").
  • NVM natural gas station for vehicles
  • CNG compressed natural gas network
  • the third pipe is connected, at its inlet, to a reservoir of gas to be compressed.
  • the third pipe is connected, at its inlet, to the atmosphere.
  • the fourth pipe connects the compression chamber to a compressed gas reservoir or to a compressed gas circuit.
  • the device can thus supply a compressed air tank or a compressed air circuit.
  • the device of the invention further comprises a heat exchanger configured to heat the gas passing through the first pipe and to cool the compressed gaseous fluid passing through the fourth pipe.
  • the device of the invention further comprises a pressure regulator on the fourth pipe.
  • This pressure regulator prevents pressure surges at the outlet of the fourth pipe.
  • FIG. 1 shows, schematically, a first particular embodiment of the device of the invention
  • FIG. 2 shows, schematically, a second particular embodiment of the device of the invention
  • FIG. 3 shows, schematically, a third particular embodiment of the device of the invention
  • FIG. 4 shows, schematically, a fourth particular embodiment of the device of the invention
  • FIG. 5 shows, schematically, a first particular embodiment of a free piston implemented in different embodiments of the device of the invention
  • - Figure 6 shows, schematically, a first phase of operation of a free piston with through opening
  • FIG. 7 shows, schematically, a second operating phase of a free piston with through opening
  • FIG. 8 shows, schematically, a third operating phase of a free piston with through opening
  • FIG. 9 shows, schematically, a fourth operating phase of a free piston with through opening.
  • the device of the invention preferably implements, in order to use the expansion energy of one fluid to compress a second, a free-piston pneumatic booster.
  • a free piston which is shown in Figures 1 to 9. It is recalled that, in a free piston booster, the movement of the piston responds only to the pressure of the gas, without a connecting rod. operate where it holds.
  • Those skilled in the art can easily replace this free piston with a pneumatic membrane booster, for example.
  • the device 10 which is the subject of the invention makes it possible, by recovering the expansion energy of a gas, therefore without energy expenditure, to compress natural gas in order to supply a gas station.
  • natural gas for vehicles CNG
  • CNG compressed natural gas network
  • Pb a gas network 13 at pressure Pb, where Pa> Pb.
  • the gas from the upstream network 12 is taken by a first pipe 31 to an inlet 18 of an expansion chamber of a booster 30 with free piston 11. Once the gas has been expanded, it joins the downstream gas network 13 via a second pipe 32.
  • a valve 15 for entering gas from the upstream network 12 via a third pipe 33, in a compression chamber 23 of the booster 30 and a gas outlet valve 16 in a fourth pipe 34 the gas is compressed to a pressure Pc greater than Pa.
  • the compressed gas is injected into the tank 14 of a CNG station or a CNG network.
  • Two embodiments of the free piston booster 30 are described with reference to FIGS. 5, on the one hand, and 6 to 9, on the other hand.
  • elements are added to automate the operation of the device 40 of the invention.
  • a heat exchanger 41 positioned on both the first pipe 31 and on the fourth pipe 34 is configured to heat the gas passing through the first pipe 31 and to cool the compressed gaseous fluid passing through the fourth pipe 34.
  • a pressure regulator 47 on the fourth line, upstream of the reservoir 44 is used so that the pressure and the temperature at the exchanger 41 are constant.
  • a valve 45 controlled by a pressure switch 46 and positioned on the first pipe 31 stops the operation of the device 40 when the tank 44 of the CNG station is sufficiently filled, that is to say that its internal pressure is equal to a limit value superior. Once the pressure of the tank 44 of the CNG station reaches a lower limit value, for example following consumption by a customer of the station, the pressure switch 46 commands the opening of the valve 45, which restarts the operation of the device 40.
  • valve 45 the assembly consisting of the valve 45 and the pressure switch 46 can be replaced by a mechanical device, the valve 45 then being replaced by an all-or-nothing pressure regulator positioned on the first pipe 31, including the impulse line is placed on the reservoir 44.
  • the output flow rate on the second pipe 32 of the device 40 is constant during its operation due to the fact that the pneumatic booster has a free piston.
  • a downstream pressure regulator 48 is used to regulate the pressure of the downstream network 13 during variations in customer consumption on the downstream network 13.
  • valve 45 the assembly consisting of the valve 45 and the pressure switch 49 can be replaced by a mechanical device, the valve 45 then being replaced by a all-or-nothing pressure regulator whose impulse line is placed on the downstream network 13.
  • this replacement can be carried out cumulatively with the replacement of the pressure switch 46 mentioned above.
  • two direct-acting regulators placed in series are used, each of these regulators having a specific set point.
  • a single pressure regulator is used with action piloted by two pilots placed in series, each of these pilots having a different set point.
  • the device 50 and 60 makes it possible, without expenditure of energy, to compress any fluid, for example air to supply a compressed air network, which can be compressed.
  • a compressed air network which can be compressed.
  • a reservoir near a gas network 12 at pressure Pa and a gas network 13 at pressure Pb, where Pa> Pb.
  • the elements illustrated in FIG. 1 are found, with the exception of the gas inlet valve 15 in the compression chamber 23, which is connected, by the third pipe 33, to a gas tank 51 to be compressed or to an ambient air inlet (not shown).
  • the reservoir 14 can, for its part, be replaced by a gas or compressed air network.
  • FIG. 5 represents a booster, that is to say a pair of pressure reducing valve 70, on the left, and compressor 72, on the right, with free piston.
  • the regulator 70 comprises a chamber 75 provided with a high pressure gas inlet coming from the first pipe 31 and a low pressure gas outlet in the second pipe 32.
  • an expansion piston 74 is brought into operation. Movement by the pressure of the gas and transmits this pressure, via a shaft 76 to a compression piston 77 which compresses the fluid in a chamber 78.
  • the set of pistons 74 and 77 and of the shaft 76 constitutes a free piston.
  • Valves 15 and 16 provide the seal and the direction of movement of the fluid from the third line 33 for entering gaseous fluid at low pressure to the fourth line 34 for the outlet of high pressure fluid.
  • the system for controlling the entry of gas into the chamber 75 and the outlet of gas from the chamber 75 is not described here, being well known to those skilled in the art.
  • a free piston is moved in a first chamber 75 by the gas and compresses the fluid in a second chamber 78.
  • the compressor is driven by the turbine with very limited mechanical losses, which increases the efficiency of the compressor. relaxation station. It should be noted that the pressure of the fluid at the outlet of the compressor can be higher than the pressure of the gas at the inlet of the expansion station, depending on the ratio of the surfaces of the pistons 74 and 77.
  • the free piston is replaced by membranes, as in membrane blowers of known type.
  • a free piston booster 11 In the embodiment illustrated in FIGS. 6 to 10, a free piston booster 11.
  • the arrows in broken lines represent the movements of gas.
  • the arrow in solid lines represents the movements of the free piston.
  • the free piston 11 comprises an expansion head 20 and a compression head 22 connected by a shaft.
  • a through opening 24 opens on the one hand into the expansion head 20 on the side opposite the compression head 22 and, on the other hand, into a side wall of the shaft.
  • the first gas line 31 opens into part 21 of the expansion chamber 17 opposite the shaft.
  • the outlet of the expansion chamber 17 to which the second pipe 32 is connected is located on a side face of the expansion chamber 17 and is not obstructed by the expansion head 20 when the through opening 24 does not open. in the part 21 of the expansion chamber 17. More particularly, the outlet of the expansion chamber is obstructed by the expansion head except in the position of the free piston where the free volume of the compression chamber is minimal.
  • the free volume of the compression chamber is intermediate between its extreme values.
  • the pressure in the part 17 of the expansion chamber opposite to the compression chamber 23 is at the value Pb of the downstream network 13.
  • the gas coming from the first pipe 31 enters the intermediate part 21 of the pressure chamber. expansion, at a pressure Pa.
  • the pressure ratio Pa / Pb is greater than the ratio of the areas of the expansion head 20 in part 17 and in part 21.
  • the free piston 11 therefore moves to the left, as illustrated in Figure 7. This movement of the free piston 11 causes the suction of gaseous fluid from the third pipe 33 through the inlet valve 15.
  • the through opening 24 opens.
  • this free piston booster 11 operates without an external moving part and as long as there is a sufficient pressure difference between the first pipe and the second pipe.

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Abstract

Le dispositif (40) de compression d'un fluide gazeux par récupération d'énergie de détente d'un gaz entre un réseau de gaz amont (12) sous une pression Pa et un réseau de gaz aval (13) sous une pression Pb inférieure à Pa, comporte : - un surpresseur pneumatique (30) comportant un piston libre (11) entre une chambre de détente (17) et une chambre de compression (23), - une première conduite (31) de gaz entre le réseau amont et une entrée de la chambre de détente, - une deuxième conduite (32) de gaz entre une sortie de la chambre de détente et le réseau aval, - une troisième conduite (33) de fluide gazeux à comprimer débouchant sur une entrée de la chambre de compression et - une quatrième conduite (34) de fluide gazeux comprimé relié à une sortie de la chambre de compression.

Description

DISPOSITIF DE COMPRESSION DE GAZ
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
La présente invention vise un dispositif de compression de gaz.
Elle s’applique, notamment, au domaine des stations de gaz naturel pour véhicules (« GNV »), aux réseaux de gaz naturel comprimé (« GNC ») et aux réservoirs et réseaux d’air comprimé.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
La détente d’un gaz entraîne l’apparition d’une énergie fatale, l’énergie de détente, aujourd’hui peu ou mal valorisée et donc majoritairement ou totalement perdue.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
À cet effet, la présente invention vise un dispositif de compression d’un fluide gazeux par récupération d’énergie de détente d’un gaz entre un réseau de gaz amont sous une pression Pa et un réseau de gaz aval sous une pression Pb inférieure à Pa, qui comporte :
- un surpresseur pneumatique comportant un piston libre entre une chambre de détente et une chambre de compression,
- une première conduite de gaz entre le réseau amont et une entrée de la chambre de détente,
- une deuxième conduite de gaz entre une sortie de la chambre de détente et le réseau aval,
- une troisième conduite de fluide gazeux à comprimer débouchant sur une entrée de la chambre de compression et
- une quatrième conduite de fluide gazeux comprimé relié à une sortie de la chambre de compression.
Grâce à ces dispositions, le dispositif objet de l’invention met en oeuvre, pour utiliser l’énergie de détente d’un fluide pour en comprimer un second, un surpresseur à piston libre. Le dispositif objet de l’invention permet, en récupérant l’énergie de détente d’un gaz provenant d’un réseau de gaz à la pression Pa et allant dans un réseau de gaz à la pression Pb, où Pa > Pb, donc sans dépense d’énergie, de comprimer un fluide gazeux. Ce fluide gazeux est, par exemple, du gaz provenant du réseau amont, d’un réservoir de gaz ou de l’atmosphère. Une fois comprimé, ce fluide gazeux alimente un réservoir, par exemple d’une station de gaz naturel pour véhicules (« GNV ») ou un réseau de gaz comprimé (« GNC » ou air comprimé).
Dans des modes de réalisation :
- le piston libre comporte une tête de détente et une tête de compression reliées par un arbre, une ouverture traversante débouchant d’une part, dans la tête de détente du côté opposé à la tête de compression et, d’autre part, dans une paroi latérale de l’arbre,
- la première conduite de gaz débouche dans la chambre de détente en regard de l’arbre et
- la sortie de la chambre de détente à laquelle est reliée la deuxième conduite se trouve sur une face latérale de la chambre de détente et n’est pas obstruée par la tête de détente que lorsque l’ouverture traversante ne débouche pas dans la chambre de détente.
Grâce à ces dispositions, le surpresseur à piston libre fonctionne sans partie mobile externe tant qu’il y a une différence de pression entre la première conduite et la deuxième conduite.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, une vanne sur la première conduite pilotée par un pressostat positionné en aval de la quatrième conduite.
Grâce à ces dispositions, une hausse de pression, en aval de la quatrième conduite provoque l’arrêt de l’alimentation du dispositif en gaz à détendre.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, un régulateur de pression tout ou rien sur la première conduite, dont la ligne d’impulsion est placée en aval de la quatrième conduite.
Grâce à ces dispositions, une hausse de pression, en aval de la quatrième conduite provoque l’arrêt de l’alimentation du dispositif en gaz à détendre.
Dans des modes de réalisation, la troisième conduite est reliée, en son entrée, au réseau amont, le gaz à comprimer étant le gaz du réseau amont.
Par exemple, ce gaz étant du gaz naturel, une fois comprimé, il alimente un réservoir d’une station de gaz naturel pour véhicules (« GNV ») ou un réseau de gaz naturel comprimé (« GNC »). Dans des modes de réalisation, la troisième conduite est reliée, en son entrée, à un réservoir de gaz à comprimer.
Dans des modes de réalisation, la troisième conduite est reliée, en son entrée, à l’atmosphère.
Dans des modes de réalisation, la quatrième conduite relie la chambre de compression à un réservoir de gaz comprimé ou à un circuit de gaz comprimé.
Le dispositif peut ainsi alimenter un réservoir d’air comprimé ou un circuit d’air comprimé.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, un échangeur de chaleur configuré pour réchauffer le gaz traversant la première conduite et refroidir le fluide gazeux comprimé traversant la quatrième conduite.
On évite ainsi des problèmes liés au refroidissement du gaz corrélatif à sa détente.
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l’invention comporte, de plus, un régulateur de pression sur la quatrième conduite.
Ce régulateur de pression évite les à-coups de pression en sortie de la quatrième conduite.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif de compression objet de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 2 représente, schématiquement, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 3 représente, schématiquement, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 4 représente, schématiquement, un quatrième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l’invention,
- la figure 5 représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier d’un piston libre mis en oeuvre dans différents modes de réalisation du dispositif objet de l’invention, - la figure 6 représente, schématiquement, une première phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante,
- la figure 7 représente, schématiquement, une deuxième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante,
- la figure 8 représente, schématiquement, une troisième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante et
- la figure 9 représente, schématiquement, une quatrième phase de fonctionnement d’un piston libre à ouverture traversante.
DESCRIPTION DES MODES DE RÉALISATION
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l’échelle.
Le dispositif objet de l’invention met préférentiellement en oeuvre, pour utiliser l’énergie de détente d’un fluide pour en comprimer un second, un surpresseur pneumatique à piston libre. C’est la version avec un piston libre qui est représenté dans les figures 1 à 9. On rappelle que, dans un surpresseur à piston libre, le mouvement du piston répond uniquement à la pression du gaz, sans qu'une bielle ne l’actionne où le retienne. L’homme du métier sait aisément remplacer ce piston libre par un surpresseur pneumatique à membranes, par exemple.
Dans le premier mode de réalisation, figure 1 , le dispositif 10 objet de l’invention permet, en récupérant l’énergie de détente d’un gaz, donc sans dépense d’énergie, de comprimer du gaz naturel pour alimenter une station de gaz naturel pour véhicules (« GNV ») ou un réseau de gaz naturel comprimé (« GNC »), à proximité d’un réseau de gaz 12 à la pression Pa et d’un réseau de gaz 13 à la pression Pb, où Pa > Pb.
Le gaz du réseau amont 12 est prélevé par une première conduite 31 jusqu’à une entrée 18 d’une chambre de détente d’un surpresseur 30 à piston libre 11 . Une fois le gaz détendu, il rejoint le réseau de gaz aval 13 par l’intermédiaire d’une deuxième conduite 32. Par le biais d’un clapet 15 d’entrée de gaz provenant du réseau amont 12 par une troisième conduite 33, dans une chambre de compression 23 du surpresseur 30 et d’un clapet 16 de sortie de gaz dans une quatrième conduite 34, le gaz est comprimé à une pression Pc supérieure à Pa. Le gaz comprimé est injecté dans le réservoir 14 d’une station GNV ou d’un réseau de GNC. Deux modes de réalisation du surpresseur 30 à piston libre sont décrits en regard des figures 5, d’une part, et 6 à 9, d’autre part.
Dans des modes de réalisation, tels que celui illustré en figure 2, on ajoute des éléments pour automatiser le fonctionnement du dispositif 40 objet de l’invention.
On note que la détente du gaz provoque une baisse de sa température, ce qui peut se révéler problématique. Un échangeur de chaleur 41 positionné à la fois sur la première conduite 31 et sur la quatrième conduite 34 est configuré pour réchauffer le gaz traversant la première conduite 31 et refroidir le fluide gazeux comprimé traversant la quatrième conduite 34.
Un régulateur de pression 47 sur la quatrième conduite, en amont du réservoir 44 est utilisé pour que la pression et la température au niveau de l’échangeur 41 soient constantes.
Une vanne 45 pilotée par un pressostat 46 et positionnée sur la première conduite 31 arrête le fonctionnement du dispositif 40 lorsque le réservoir 44 de la station GNV est suffisamment rempli, c’est-à-dire que sa pression interne est égale à une valeur limite supérieure. Une fois que la pression du réservoir 44 de la station GNV atteint une valeur limite inférieure, par exemple à la suite d’une consommation par un client de la station, le pressostat 46 commande l’ouverture de la vanne 45, ce qui relance le fonctionnement du dispositif 40.
On note que l’ensemble constitué de la vanne 45 et du pressostat 46 peut être remplacé par un dispositif mécanique, la vanne 45 étant alors remplacée par un régulateur de pression tout ou rien positionné sur la première conduite 31 , dont la ligne d’impulsion est placée sur le réservoir 44.
Le débit en sortie sur la deuxième conduite 32 du dispositif 40 est constant lors de son fonctionnement du fait que le surpresseur pneumatique est à piston libre. Un régulateur de pression aval 48 est utilisé pour réguler la pression du réseau aval 13 lors de variations de consommation clients sur le réseau aval 13. La vanne 45 pilotée par un pressostat 49 positionné sur le réseau aval 13, donc en aval de la quatrième conduite 34, arrête le fonctionnement du dispositif 40 lorsque le débit de consommation clients sur le réseau aval 13 est inférieur au débit en sortie du dispositif 40.
On note que l’ensemble constitué de la vanne 45 et du pressostat 49 peut être remplacé par un dispositif mécanique, la vanne 45 étant alors remplacée par un régulateur de pression tout ou rien dont la ligne d’impulsion est placée sur le réseau aval 13.
On note que ce remplacement peut être effectué cumulativement avec le remplacement du pressostat 46 évoqué plus haut. Par exemple, on met en oeuvre deux régulateurs à action directe placés en série, chacun de ces régulateurs ayant un point de consigne spécifique. Selon un autre exemple, on met en oeuvre un seul régulateur de pression à action pilotée par deux pilotes mis en série, chacun de ces pilotes ayant un point de consigne différent.
Dans les modes de réalisation illustrés en figures 3 et 4, le dispositif 50 et 60, respectivement, permet, sans dépense d’énergie, de comprimer un fluide quelconque, par exemple de l’air pour alimenter un réseau d’air comprimé, pouvant être contenu dans un réservoir, à proximité d’un réseau de gaz 12 à la pression Pa et d’un réseau de gaz 13 à la pression Pb, où Pa > Pb. De nouveau, on utilise l’énergie de détente d’un gaz passant de l’un à l’autre de ces réseaux, pour comprimer un autre fluide gazeux.
On retrouve, dans le dispositif 50 illustré en figure 3, les éléments illustrés en figure 1 , à l’exception du clapet d’entrée 15 de gaz dans la chambre de compression 23, qui est reliée, par la troisième conduite 33, à un réservoir 51 de gaz à comprimer ou à une entrée (non représentée) d’air ambiant. Le réservoir 14 peut, de son côté, être remplacé par un réseau de gaz ou d’air comprimé.
On retrouve, dans le dispositif 60 en figure 4, les éléments illustrés en figure 2, à l’exception de l’entrée 15 de gaz dans la chambre de compression 23, qui est reliée, par la troisième conduite 33, à un réservoir 61 de gaz à comprimer ou à une entrée (non représentée) d’air ambiant. Le réservoir 44 peut, de son côté, être remplacé par un réseau de gaz ou d’air comprimé.
La figure 5 représente un surpresseur, c’est-à-dire un couple détendeur 70, à gauche, et compresseur 72, à droite, à piston libre. Le détendeur 70 comporte une chambre 75 munie d’une entrée de gaz à haute pression provenant de la première conduite 31 et une sortie de gaz à basse pression dans la deuxième conduite 32. Dans la chambre 75, un piston de détente 74 est mis en mouvement par la pression du gaz et transmet cette pression, par l’intermédiaire d’un arbre 76 à un piston de compression 77 qui comprime le fluide dans une chambre 78. L’ensemble des pistons 74 et 77 et de l’arbre 76 constitue un piston libre. Des clapets 15 et 16 assurent l’étanchéité et le sens de déplacement du fluide depuis la troisième conduite 33 d’entrée de fluide gazeux à basse pression jusqu’à la quatrième conduite 34 de sortie de fluide à haute pression. Le système de commande de l’entrée de gaz dans la chambre 75 et de sortie de gaz de la chambre 75, n’est pas décrit ici, étant bien connu de l’homme du métier.
Ainsi, un piston libre est mis en déplacement dans une première chambre 75 par le gaz et compresse le fluide dans une deuxième chambre 78. L’entraînement du compresseur par la turbine se fait avec des pertes mécaniques très limitées, ce qui augmente le rendement du poste de détente. On note que la pression du fluide en sortie du compresseur peut être plus élevée que la pression du gaz en entrée du poste de détente, en fonction du ratio des surfaces des pistons 74 et 77.
En variante, le piston libre est remplacé par des membranes, comme dans les surpresseurs à membranes de type connu.
Dans le mode de réalisation illustré en figures 6 à 10, un surpresseur à piston libre 11. Les flèches en traits discontinus représentent les mouvements de gaz. La flèche en traits continus représente les mouvements du piston libre.
Le piston libre 11 comporte une tête de détente 20 et une tête de compression 22 reliées par un arbre. Une ouverture traversante 24 débouche d’une part, dans la tête de détente 20 du côté opposé à la tête de compression 22 et, d’autre part, dans une paroi latérale de l’arbre. La première conduite de gaz 31 débouche dans la partie 21 de la chambre de détente 17 en regard de l’arbre. En conséquence, l’embouchure de l’ouverture traversante 24 ne se trouve dans la partie 21 que lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est maximum. La sortie de la chambre de détente 17 à laquelle est reliée la deuxième conduite 32 se trouve sur une face latérale de la chambre de détente 17 et n’est pas obstruée par la tête de détente 20 que lorsque l’ouverture traversante 24 ne débouche pas dans la partie 21 de la chambre de détente 17. Plus particulièrement, la sortie de la chambre de détente est obstruée par la tête de détente sauf dans la position du piston libre où le volume libre de la chambre de compression est minimal.
Au début du cycle de fonctionnement du surpresseur, comme illustré en figure 6, le volume libre de la chambre de compression est intermédiaire entre ses valeurs extrêmes. La pression dans la partie 17 de la chambre de détente opposée à la chambre de compression 23 est à la valeur Pb du réseau aval 13. Le gaz provenant de la première conduite 31 pénètre dans la partie intermédiaire 21 de la chambre de détente, à une pression Pa. Le ratio des pressions Pa/Pb est supérieur au ratio des surfaces de la tête de détente 20 dans la partie 17 et dans la partie 21. Le piston libre 11 se déplace donc vers la gauche, comme illustré en figure 7. Ce mouvement du piston libre 11 entraîne l’aspiration de fluide gazeux provenant de la troisième conduite 33 à travers le clapet d’entrée 15. Lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est maximal, l’ouverture traversante 24 débouche sur la partie 21 de la chambre de détente et le gaz provenant de la première conduite 31 traverse la tête de détente. La pression dans la partie 17 de la chambre de détente atteint alors Pa, ce qui provoque le mouvement du piston libre 11 vers la chambre de compression 23, comme illustré en figure 8. Ce mouvement obstrue l’ouverture traversante 24 et comprime le fluide gazeux présent dans la chambre de compression 23. Le fluide gazeux comprimé traverse le clapet de sortie 16 puis la quatrième conduite 34. Lorsque le volume libre de la chambre de compression 23 est minimal, la partie 17 de la chambre de détente est pneumatiquement reliée à la deuxième conduite 32, comme illustré en figure 9. Suite à l’augmentation du volume de la partie 17, la pression dans la partie 17 de la chambre de détente chute pour atteindre la valeur Pb. Le cycle recommence alors.
Comme on le comprend à la lecture de ce qui précède, ce surpresseur à piston libre 11 fonctionne sans partie mobile externe et tant qu’il y a une différence de pression suffisante entre la première conduite et la deuxième conduite.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10, 40, 50, 60) de compression d’un fluide gazeux par récupération d’énergie de détente d’un gaz entre un réseau de gaz amont (12) sous une pression Pa et un réseau de gaz aval (13) sous une pression Pb inférieure à Pa, caractérisé en ce qu’il comporte :
- un surpresseur pneumatique (30, 70, 72) comportant un piston libre (11 , 74, 76, 77) entre une chambre de détente (17, 75) et une chambre de compression (23, 78),
- une première conduite (31 ) de gaz entre le réseau amont et une entrée de la chambre de détente,
- une deuxième conduite (32) de gaz entre une sortie de la chambre de détente et le réseau aval,
- une troisième conduite (33) de fluide gazeux à comprimer débouchant sur une entrée de la chambre de compression et
- une quatrième conduite (34) de fluide gazeux comprimé relié à une sortie de la chambre de compression.
2. Dispositif (10, 40, 50, 60) selon la revendication 1 , dans lequel :
- le piston libre (11 ) comporte une tête de détente (20) et une tête de compression (22) reliées par un arbre, une ouverture traversante débouchant d’une part, dans la tête de détente du côté opposé à la tête (24) de compression et, d’autre part, dans une paroi latérale de l’arbre,
- la première conduite (31 ) de gaz débouche dans la chambre de détente (17) en regard de l’arbre et
- la sortie de la chambre de détente à laquelle est reliée la deuxième conduite (32) se trouve sur une face latérale de la chambre de détente et n’est pas obstruée par la tête de détente que lorsque l’ouverture traversante ne débouche pas dans la chambre de détente.
3. Dispositif (40, 60) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte, de plus, une vanne (45) sur la première conduite (31 ) pilotée par un pressostat (46, 49) positionné en aval de la quatrième conduite (34).
4. Dispositif (40, 60) selon l’une des revendications 1 ou 2, qui comporte, de plus, un régulateur de pression tout ou rien sur la première conduite (31 ), dont la ligne d’impulsion est placée en aval de la quatrième conduite (34).
5. Dispositif (10, 40) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la troisième conduite (33) est reliée, en son entrée, au réseau amont (12), le gaz à comprimer étant le gaz du réseau amont.
6. Dispositif (50, 60) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la troisième conduite (33) est reliée, en son entrée, à un réservoir (51 , 61 ) de gaz à comprimer.
7. Dispositif (50, 60) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel la troisième conduite (33) est reliée, en son entrée, à l’atmosphère.
8. Dispositif (10, 40, 50, 60) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la quatrième conduite (34) relie la chambre de compression (23) à un réservoir de gaz comprimé (14, 44) ou à un circuit de gaz comprimé.
9. Dispositif (40, 60) selon l’une des revendications 1 à 8, qui comporte, de plus, un échangeur de chaleur (41 ) configuré pour réchauffer le gaz traversant la première conduite (31 ) et refroidir le fluide gazeux comprimé traversant la quatrième conduite (34).
10. Dispositif (40, 60) selon l’une des revendications 1 à 9, qui comporte, de plus, un régulateur de pression (47) sur la quatrième conduite (34).
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