EP4158270A1 - Procédé et dispositif de refroidissement cryogénique - Google Patents

Procédé et dispositif de refroidissement cryogénique

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EP4158270A1
EP4158270A1 EP21714158.9A EP21714158A EP4158270A1 EP 4158270 A1 EP4158270 A1 EP 4158270A1 EP 21714158 A EP21714158 A EP 21714158A EP 4158270 A1 EP4158270 A1 EP 4158270A1
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EP
European Patent Office
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fluid
tubes
microtubes
micro
heat exchanger
Prior art date
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Application number
EP21714158.9A
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German (de)
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EP4158270B1 (fr
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Guillaume DELAUTRE
Loïc Jeunesse
Golo Zick
Thomas Gates
James Timothy MACHERAS
Pierre BARJHOUX
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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Publication of EP4158270A1 publication Critical patent/EP4158270A1/fr
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Publication of EP4158270B1 publication Critical patent/EP4158270B1/fr
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • 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
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
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    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
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    • F28D1/05333—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
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    • F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cryogenic cooling.
  • the invention relates more particularly to a method for cryogenic cooling of a first fluid by heat exchange with at least one second fluid in a heat exchanger, the first fluid and / or the second fluid being at a temperature between -100 ° C. and -273 ° C.
  • cryogenic heat exchangers The structure of cryogenic heat exchangers is generally bulky, expensive and massive.
  • plate heat exchangers or aluminum or metal tube exchangers are known. This type of exchanger is thus ill-suited for certain applications where mass or volume are critical (on board floating or flying vehicles, for example).
  • Other less massive technologies are known (for example, shell-tube type exchangers with polymer tubes) but are not suitable for applications in cryogenic temperature ranges (below minus 100 ° C for example) because these exchangers are weakened at these temperatures and are not able to withstand pressure differentials and / or encounter sealing and performance problems.
  • An aim 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 heat exchanger is of the type with polymer microtubes. that is to say comprising a plurality of polymer microtubes and having a diameter between and 0.1mm and 1cm, one of the first and second fluids being circulated inside said micro-tubes while the other fluid is circulated around said micro-tubes.
  • microtubes are made of at least one of the following materials: polyetheretherketone (PEEK),
  • the micro-tubes are made of a material comprising a mixture of polyetherimide ( "Ultem") and Peek, the micro-tubes are made of a material having a density between 2700kg / m 3 and 900kg / m 3 and in particular less than 1500kg / m 3 the micro-tubes have a diameter of between between 0.1mm and 5mm, the pressure differential between the pressure of the fluid circulated in the micro-tubes and the pressure of the fluid circulated around the micro-tubes is between 1 bar and 100 bar and in particular between 10 and 50bar, the heat exchanger comprises a housing in which the micro-tubes are arranged, the housing comprising a first inlet communicating with a first end of the micro-tubes, the housing comprising a first outlet communicating with a second e xtrend of the microtubes, the
  • the invention also relates to a device for cryogenic cooling of at least one first fluid by heat exchange with at least one second fluid comprising a heat exchanger providing heat exchange between the first fluid and the second fluid, the first and / or the second fluid being at a temperature between -100 ° C and -273 ° C, the heat exchanger being of the polymer microtube type, that is to say comprising a plurality of polymer microtubes and having a diameter of between 0.1mm and 10mm, the heat exchanger comprising inlets and outlets for the first and second fluid ensuring circulation of at least one fluid to inside said micro-tubes and a circulation of the other fluid around said micro-tubes.
  • the exchanger comprises a working circuit containing a working fluid, the working circuit comprising at least one working gas compressor, at least one heat exchanger for cooling the compressed fluid, at least a working fluid expansion member, at least one heat exchanger for reheating the expanded working fluid, the at least one cooling heat exchanger and / or the at least one reheating heat exchanger is of the micro-type polymer tubes that is to say comprising a plurality of polymer microtubes and having a diameter between and 0.1mm and 10mm, and comprising inlets and outlets for a first flow of working fluid and another fluid having a temperature distinct from the temperature of the first flow of working fluid, to ensure heat exchange between the first flow of working fluid and the other fluid.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the characteristics above or below within the scope of the claims.
  • FIG. 1 represents a view in longitudinal section, schematic and partial, illustrating a first example of the structure and operation of a cooling heat exchanger according to the invention
  • FIG. 2 represents a view in longitudinal section, schematic and partial, illustrating a second example of the structure and operation of a cooling heat exchanger according to the invention
  • FIG. 3 represents a view in longitudinal section, schematic and partial, illustrating a third example of the structure and operation of a cooling heat exchanger according to the invention
  • FIG. 4 shows an enlarged detail of the heat exchanger of [Fig. 3],
  • FIG. 5 shows a sectional view of an example of an elastic member that can be used in such a heat exchanger
  • FIG. 6 represents a view in longitudinal section, schematic and partial, illustrating a fourth example of the structure and operation of a cooling heat exchanger according to the invention
  • FIG. 7 represents a schematic and partial view illustrating an example of the structure and operation of a cryogenic refrigeration device which can use a cooling heat exchanger according to the invention
  • FIG. 8 illustrates a view in longitudinal section of another embodiment of such a cooling heat exchanger.
  • the cryogenic cooling heat exchanger 1 shown schematically in FIG. 1 ensures the cooling of a first fluid 2 by heat exchange with a second fluid 3.
  • the first fluid 2 and / or the second fluid 3 is a temperature between -100 ° C and -273 ° C.
  • the invention can also be used at room temperature or between room temperature and cryogenic temperatures.
  • the heat exchanger 1 is of the polymer microtubes type, that is to say comprising a plurality of polymer microtubes 4 and having a diameter of between 0.1 mm and 1 cm.
  • the first 2 fluid is circulated inside said micro-tubes 4 while that the second fluid 3 is circulated around said micro-tubes 4.
  • the micro-tubes 4 are preferably non-porous.
  • the micro-tubes 4 preferably consist of at least one of the following materials: polyetheretherketone (PEEK), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyetherimide polyimides, polyamides, polycarbonates, for example a mixture of 50% polyetherimide (“Ultem”) and 50% of Peek and in particular any suitable material compatible with cryogenic temperatures.
  • PEEK / Ultem mixture can be extruded in the form of an amorphous material whose glass transition temperature (Tg, or Tg in English) is about 180 ° C.
  • Tg glass transition temperature
  • This mixture unlike the materials used in the literature, does not require any annealing. In addition, this mixture is essentially non-crystalline, it is quite strong and flexible as it is made.
  • Other crystalline materials cited in the literature would have relatively high coefficients of thermal expansion (CTE), some exceeding 80 ppm / ° C.
  • CTE coefficients of thermal expansion
  • the coefficient of thermal expansion (CTE) of PEEK is 45
  • the coefficient of thermal expansion of Ultem is 45
  • the coefficient of thermal expansion of the epoxy resin is for example equal to 55.
  • This constituent material is compatible with cryogenic temperatures (up to a few degrees Kelvin for example) and can withstand large pressure differentials (which can for example reach of the order of 100 bar).
  • the micro-tubes 4 are preferably made of a material having a density less than 2700 kg / m 3 and in particular less than 1500 kg / m 3 and for example between 900 kg / m 3 and 2700 kg / m 3.
  • the microtubes 4 preferably have a thickness of between 0.01mm and 1mm, in particular 0.05mm. In addition, the microtubes 4 preferably have a diameter of the order of 0.1 to several millimeters, in particular one millimeter.
  • the pressure differential between the pressure of the fluid 2 circulated in the micro-tubes 4 and the pressure of the fluid 3 circulated around the micro-tubes 4 can be between 1 bar and 100 bar and in particular between 10 and 50 bar .
  • the heat exchanger 1 may comprise a housing 5 in which the micro-tubes 4 are arranged.
  • the housing 5 comprises a first inlet 6 communicating with a first end of the micro-tubes 4 and a first outlet 7 communicating with a second end of the tubes.
  • the housing 5 also comprising a second inlet 8 and a second outlet 9 communicating with the volume located around the micro-tubes.
  • These two input / output pairs define two independent circuits for two fluids.
  • the microtubes 4 can be arranged in a bundle, for example parallel in a longitudinal direction in the housing 5 (and in particular rectilinear or substantially rectilinear), or according to any other geometric configuration.
  • the micro-tubes 4 can be wound in a helix and for example distributed in an organized manner around a central support mandrel.
  • This helical winding can serve not only to control the packing density of tubes, but also provides a unique mechanism to combat potential dimensional shrinkage of tubes at low temperatures.
  • the shrinkage of the tubes due to thermal contraction can potentially exert a stress on the microtubes 4 which will be transmitted to the tubesheet. This stress can lead to a rupture of the bond between the tube sheet material and the individual tubes or, in extreme cases, failure of the tube sheet or the manifold itself.
  • the helically wound micro-tubes 4 make it possible to relieve the shrinkage stress by modifying their winding angle in the device.
  • the micro-tubes 4 can therefore not be subjected to an axial tension during their shrinking.
  • FIG. 8 illustrates a view in longitudinal section of a possible embodiment of such a heat exchanger with micro-tubes 4 helically wound around a central mandrel 20.
  • the bundle of coiled micro-tubes 4 can thus form a tubular entity, the two ends of which can be mounted respectively on the axes of two inserts 21, 22 mounted at the ends of the mandrel 20.
  • the peripheral surface (for example cylindrical) of the bundle of microtubes 4 can be coated with a winding or a protective and / or retaining layer 23.
  • the fluid 2 circulated in the micro-tubes 4 can be admitted for example transversely to an inlet at one longitudinal end of the exchanger and exit at the other longitudinal end, for example via passages 24 opening through the mandrel 20 and exit via a central passage of an insert 22.
  • the cooling fluid can pass it longitudinally around the micro-tubes 4 in a direction opposite to the longitudinal progression of the first fluid 2.
  • one and preferably the two longitudinal ends of the bundle of microtubes 4 comprises a layer 13 of rigid material such as a thermosetting (epoxy resin or other) ensuring the cohesion of the bundle of microtubes and resistant to cryogenic temperatures.
  • This rigid zone can in particular be used to ensure a seal between the two fluid circuits (for example via one or more seals 18, in particular O-rings interposed between the housing 5 and the resin layer 13 (as illustrated in [ Fig. 3]).
  • This mass or layer 13 of solid resinous material bonds the micro-tubes 4 at the ends to prevent the high pressure fluid from communicating with the low pressure fluid when the module is operating.
  • the resin used for this part binds reliably with the material constituting the microtubes 4 and also has a high glass transition temperature Tg (for example of the order of 150 ° C.).
  • the housing 5 can house at least one elastic member 11 constrained in the longitudinal direction between a stop formed in the housing 5 and a longitudinal end of the bundle of microtubes, to ensure the longitudinal retention of the bundle of microtubes while by allowing its expansion or contraction relative to the housing 5 in the longitudinal direction.
  • a longitudinal end of the bundle of microtubes can be blocked longitudinally while the other can be free longitudinally and held by the elastic member 11. This makes it possible to absorb contractions / expansion of the bundle of microtubes when the bundle is subjected to variations in temperature while maintaining the seal.
  • the elastic member may comprise or be constituted by a spring 11, in particular helical.
  • a spring 11 in particular helical.
  • one or more stacked elastic washers 12, in particular of the Belleville type, can be envisaged as shown schematically in [FIG. 5].
  • the first fluid 2 (gas or liquid for example at high pressure between 5 bars and 100 bars) can enter via the inlet 6 (on the left in [Fig. 1]), enter the micro-tubes 4 and exit at the other end via the outlet 7.
  • the second fluid 3 (gas or liquid for example at low pressure between 1 bar and 99 bar) enters the housing 5 via an inlet (in the upper part of [Fig. 1]). ), circulates around the microtubes 4 and exits via the outlet 9 (in the lower part in [Fig. 1]).
  • the housing 5 can be made of a composite material, of epoxy resin with glass fibers, polymer, metal or any other suitable material and in particular the same material as that constituting the micro-tubes 4. This minimizes the contraction differentials between the housing 5. and microtubes 4.
  • the pressure differential between the pressure of the fluid circulating in the micro-tubes 4 (for example at high pressure) and the pressure of the fluid circulating around the micro-tubes (for example at low pressure) can be of the order of a few bars or several tens of bar, for example of the order of one hundred bar.
  • the housing 5 may include an elastic zone 14 in the longitudinal direction such as a bellows to absorb variations in dimensions due to changes in temperature.
  • Such a cryogenic heat exchanger 11 is particularly efficient, compact and lightweight compared to known cryogenic exchangers.
  • Such an exchanger can be used in particular as a cooling exchanger in a refrigeration and / or liquefaction device.
  • the heat exchanger 1 can in particular be used in a liquefier cooler of the “Turbo Brayton” type.
  • FIG. 7 illustrates an example of a cooling device 10.
  • This comprises a working circuit 15 containing a working fluid (helium and / or hydrogen and / or argon and / or nitrogen and / or any other gas).
  • a working fluid helium and / or hydrogen and / or argon and / or nitrogen and / or any other gas.
  • the working circuit 15 comprises at least one working gas compressor 16, at least one heat exchanger 1 for cooling the compressed fluid, at least one member 17 for expanding the working fluid, at least one reheating heat exchanger 117 relaxed working fluid.
  • the expansion device may for example comprise at least one from among a turbine, a Joule-Thomson valve, at least one orifice, etc.
  • the at least one cooling heat exchanger 1 and / or the at least one reheating heat exchanger 1 can be a heat exchanger 1 of the aforementioned type with polymer microtubes.
  • such a heat exchanger 1 can be used in such a device as a countercurrent heat exchanger to heat exchange the working fluid in two distinct states of the cycle.
  • heat exchanger 1 For example, at one end of heat exchanger 1 (on the right in [Fig. 7]) the temperature of the fluid is reduced in heat exchanger 1 (for example from non-cryogenic ambient temperature to a cryogenic temperature in particular between 130K and 4K) while at another end (on the left in [Fig. 7]) a flow of this fluid is heated (for example from a cryogenic temperature to a non-cryogenic temperature).
  • the heat exchanger 1 is not limited to the above examples. So, for example, the heat exchange can be configured to perform heat exchange between more than two fluids (three, four or more). That is to say that distinct portions of the microtubes 4 and / or of the volume around the microtubes 4 can accommodate distinct flows of fluids (different fluids or fluid of the same nature but at different or similar temperatures) for heat exchange in the heat exchanger 1.
  • Such a heat exchanger 1 can if necessary ensure heat exchange with another fluid (liquid nitrogen for example).
  • Such a heat exchanger 1 can in particular be used to pre-cool the fluid with a cold heat transfer fluid (liquid nitrogen, or any other fluid).
  • a cold heat transfer fluid liquid nitrogen, or any other fluid
  • Such a heat exchanger 1 can also be used for cooling the working fluid at the outlet of a compressor.
  • the working fluid can be put into heat exchange with a heat transfer fluid such as water for example.
  • the fluids put into heat exchange are not necessarily at cryogenic temperatures and could be replaced by a more conventional heat exchanger, but the interest of the aforementioned heat exchanger 1 remains important.
  • Such a heat exchanger 1 can also be used to heat a cryogenic fluid contained in a storage.
  • the heat exchanger 1 is for example located outside the storage and provides heat exchange between the cryogenic fluid taken from the storage and a hotter fluid (air, water or other heat transfer fluid) to vaporize it.
  • such a heat exchanger 1 can be used to cool and / or heat nitrogen, helium, hydrogen, argon or a mixture of all or part of these components. in cryogenic form by heat exchange with a cryogenic fluid or not: nitrogen, helium, hydrogen, argon or a mixture of all or part of the latter and / or water.

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Abstract

Procédé de refroidissement cryogénique d'un premier fluide (2) par échange thermique avec au moins un second fluide (3) dans un échangeur (1) de chaleur, le premier fluide (2) et/ou le second fluide (3) étant à une température comprise entre -100°C et -273°C, caractérisé en ce que l'échangeur (1) de chaleur est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes (4) en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1cm, l'un des premier (2) et second (3) fluides étant mis en circulation à l'intérieur desdits micro- tubes (4) tandis que l'autre fluide est mis en circulation autour desdits micro-tubes (4).

Description

Procédé et dispositif de refroidissement cryogénique
L'invention concerne un procédé et un dispositif de refroidissement cryogénique.
L'invention concerne plus particulièrement un procédé de refroidissement cryogénique d'un premier fluide par échange thermique avec au moins un second fluide dans un échangeur de chaleur, le premier fluide et/ou le second fluide étant à une température comprise entre -100°C et -273°C.
La structure des échangeurs de chaleur cryogéniques est généralement encombrante, coûteuse et massive. On connaît par exemple les échangeurs à plaques où à tubes en aluminium ou métalliques. Ce type d'échangeur est ainsi mal adapté pour certaines applications où la masse ou le volume sont critiques (embarquées dans des engins flottants ou volants par exemple). D'autres technologies moins massives sont connues (par exemple, des échangeurs de type tube-calandre avec des tubes en polymère) mais ne sont pas adaptées à des applications dans des plages de températures cryogéniques (inférieures à moins 100°C par exemple) car ces échangeurs sont fragilisés à ces températures et ne sont pas capables de supporter des différentiels de pression et/ou rencontrent des problèmes d'étanchéité et de performance .
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 l'échangeur de chaleur est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1cm, l'un des premier et second fluides étant mis en circulation à l'intérieur desdits micro-tubes tandis que l'autre fluide est mis en circulation autour desdits micro-tubes.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : les micro-tubes sont constitués de l'un au moins des matériaux suivants : polyétheréthercétone (PEEK),
Polytétrafluoroéthylène (PTFE), Polyétherimide, polyimide(s), polyamide (s), polycarbonate(s) ou tout autre matériau plastique compatibles avec un usage auxdites basses températures, les micro-tubes sont constitués d'un matériau comprenant un mélange de polyétherimide (« Ultem ») et de Peek, les micro-tubes sont constitués d'un matériau ayant une masse volumique comprise entre à 2700kg/m3 et 900kg/m3 et notamment inférieure à 1500kg/m3 les micro-tubes ont un diamètre compris entre 0,1mm et 5mm, le différentiel de pression entre la pression du fluide mis en circulation dans les micro-tubes et, la pression du fluide mis en circulation autour des micro-tubes est compris entre 1 bar et 100bar et notamment compris entre 10 et 50bar, l'échangeur de chaleur comprend un boîtier dans lequel sont disposés les micro-tubes, le boîtier comprenant une première entrée communiquant avec une première extrémité des micro-tubes, le boîtier comprenant une première sortie communiquant avec une seconde extrémité des micro-tubes, le boîtier comprenant également une seconde entrée et une seconde sortie communiquant avec le volume situé autour des micro-tubes, les micro-tubes sont disposés en faisceau selon une direction longitudinale dans le boîtier, les faisceaux sont disposés parallèles à la direction longitudinale et sont de préférence rectilignes, les micro-tubes sont enroulés en hélice, de préférence répartis autour d'un mandrin central de support, l'une au moins des deux extrémités longitudinales du faisceau de micro-tubes comprend une couche de matériau rigide tel qu'un thermodurcissable assurant la cohésion du faisceau de micro-tubes, le boîtier abritant au moins un organe élastique contraint selon la direction longitudinale entre une butée formée dans le boîtier et une extrémité longitudinale du faisceau de micro-tubes, pour assurer le maintien longitudinal du faisceau de micro-tubes tout en permettant une dilatation ou une contraction relativement au boîtier selon la direction longitudinale, l'organe élastique comprend au moins l'un parmi : un ressort, un ressort hélicoïdal, une ou plusieurs de rondelles élastiques notamment de type Belleville, le boîtier comprend une zone élastique selon la direction longitudinale telle qu'un soufflet, le procédé assure un échange de chaleur entre plus de deux fluides, c'est-à-dire que des portions distinctes des micro tubes et/ou du volume autour des micro-tubes accueillent des flux distincts de fluide(s) en vue d'échanges thermiques dans l'échangeur de chaleur, le refroidissement est réalisé dans un processus de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique d'un fluide, l'échangeur de chaleur étant situé dans un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique.
L'invention concerne également un dispositif de refroidissement cryogénique d'au moins un premier fluide par échange thermique avec au moins un second fluide comprenant un échangeur de chaleur assurant un échange de chaleur entre le premier fluide et le second fluide, le premier et/ou le second fluide étant à une température comprise entre -100°C et -273°C, l'échangeur de chaleur étant du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 10mm, l'échangeur de chaleur comprenant des entrées et sorties pour les premier et second fluide assurant une mise en circulation d'au moins un fluide à l'intérieur desdits micro-tubes et une mise en circulation de l'autre fluide autour desdites micro-tubes.
Par ailleurs, selon des caractéristiques possibles : l'échangeur comprend un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant au moins un compresseur du gaz de travail, au moins un échangeur de chaleur de refroidissement du fluide comprimé, au moins un organe de détente du fluide de travail, au moins un échangeur de chaleur de réchauffage du fluide de travail détendu, le au moins un échangeur de chaleur de refroidissement et/ou le au moins un échangeur de chaleur de réchauffage est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité des micro-tubes en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 10mm, et comprenant des entrées et sorties pour un premier flux de fluide de travail et un autre fluide ayant une température distincte de la température du premier flux de fluide de travail, pour assurer un échange thermique entre le premier flux de fluide de travail et l'autre fluide.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci- dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
[Fig. 1] représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un échangeur de chaleur de refroidissement selon l'invention,
[Fig. 2] représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple de structure et de fonctionnement d'un échangeur de chaleur de refroidissement selon l'invention, [Fig. 3] représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un troisième exemple de structure et de fonctionnement d'un échangeur de chaleur de refroidissement selon l'invention,
[Fig. 4] représente un détail agrandi de l'échangeur de chaleur de la [Fig. 3],
[Fig. 5] représente une vue en coupe d'un exemple d'organe élastique pouvant être utilisé dans un tel échangeur de chaleur,
[Fig. 6] représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant un quatrième exemple de structure et de fonctionnement d'un échangeur de chaleur de refroidissement selon l'invention,
[Fig. 7] représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de réfrigération cryogénique pouvant utiliser un échangeur de chaleur de refroidissement selon l'invention,
[Fig. 8] illustre une vue en coupe longitudinale d'un autre exemple de réalisation d'un tel échangeur de chaleur de refroidissement .
L'échangeur 1 de chaleur de refroidissement cryogénique schématisé à la figure 1 assure le refroidissement d'un premier fluide 2 par échange thermique avec un second fluide 3. Par exemple le premier fluide 2 et/ou le second fluide 3 est une température comprise entre -100°C et -273°C. Bien qu'optimale aux températures cryogéniques, l'invention peut être utilisée aussi à la température ambiante ou entre la température ambiante et les températures cryogéniques. L'échangeur 1 de chaleur est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes 4 en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1cm. Par exemple le premier 2 fluide est mis en circulation à l'intérieur desdits micro-tubes 4 tandis que le second fluide 3 est mis en circulation autour desdites micro-tubes 4. Les micro-tubes 4 sont de préférence non poreux.
Les micro-tubes 4 sont constitués de préférence de l'un au moins des matériaux suivants : polyétheréthercétone (PEEK), Polytétrafluoroéthylène (PTFE), Polyétherimide polyimides, polyamides, polycarbonates, par exemple un mélange de 50% de polyétherimide (« Ultem ») et 50% de Peek et notamment tout matériau approprié compatible avec les températures cryogéniques. Ce mélange PEEK/Ultem peut être extrudé sous la forme d'un matériau amorphe dont la température de transition vitreuse (Tv, ou Tg en anglais) est d'environ 180°C. Ce mélange, contrairement aux matériaux utilisés dans la littérature ne nécessite aucun recuit. De plus, ce mélange est essentiellement non cristallin, il est assez résistant et flexible tel qu'il est fabriqué. D'autres matériaux cristallins cités dans la littérature auraient des coefficients de dilatation thermique (CTE) relativement élevés, certains dépassant 80 ppm/°C.
Étant donné que l'échangeur de chaleur doit fonctionner sur une très large plage de températures, il est essentiel que les matériaux de construction aient des coefficients de dilatation thermique (CTE) étroitement adaptés. Cela est nécessaire pour que les différents composants de l'appareil puissent se dilater et se contracter à l'unisson sur la plage de température de fonctionnement. Il est essentiel que les CTE soient étroitement alignés pour maintenir la liaison entre le matériau de la plaque tubulaire et les tubes d'échange thermique ainsi qu'entre la plaque tubulaire et le mandrin du faisceau de support structurel. Tous les composants structurels du module sont sélectionnés pour leurs CTE étroitement alignés ou homogènes proches.
Ainsi, le coefficient de dilatation thermique (CTE) du PEEK est de 45, le coefficient de dilatation thermique de l'Ultem est de 45 et le coefficient de dilatation thermique de la résine Epoxy est par exemple égale à 55. Ce matériau constitutif est compatible avec les températures cryogéniques (jusqu'à quelques degrés Kelvin par exemple) et peut supporter des différentiels de pression importants (pouvant par exemple atteindre de l'ordre de lOObar).
Les micro-tubes 4 sont constitués de préférence d'un matériau ayant une masse volumique inférieure à 2700kg/m3 et notamment inférieure à 1500kg/m3 et par exemple comprise entre 900kg/m3 et 2700kg/m3.
Les micro-tubes 4 ont de préférence une épaisseur comprise entre 0,01mm et 1mm notamment 0,05mm. De plus les micro-tubes 4 ont de préférence un diamètre de l'ordre de 0,1 à plusieurs millimètres, notamment un millimètre.
Ceci permet un échange de chaleur important entre les deux fluides tout en limitant le volume et la masse de l'échangeur de chaleur. La résistance mécanique au différentiel de pression entre les parties de l'échangeur soumises à une haute pression et les parties soumises à une pression plus basse n'est pas affectée, au contraire.
Le différentiel de pression entre la pression du fluide 2 mis en circulation dans les micro-tubes 4 et, la pression du fluide 3 mis en circulation autour des micro-tubes 4 peut être compris entre 1 bar et 100 bar et notamment entre 10 et 50bar.
L'échangeur 1 de chaleur peut comprendre un boîtier 5 dans lequel sont disposés les micro-tubes 4. Le boîtier 5 comprend une première entrée 6 communiquant avec une première extrémité des micro-tubes 4 et une première sortie 7 communiquant avec une seconde extrémité des micro-tubes 4. Le boîtier 5 comprenant également une seconde entrée 8 et une seconde sortie 9 communiquant avec le volume situé autour des micro-tubes. Ces deux paires d'entrée/sortie définissent deux circuits indépendants pour deux fluides. Comme illustré, les micro-tubes 4 peuvent être disposés en faisceau, par exemple parallèles selon une direction longitudinale dans le boîtier 5 (et notamment rectilignes ou sensiblement rectilignes), ou selon toute autre configuration géométrique .
Par exemple, les micro-tubes 4 peuvent être enroulés en hélice et par exemple répartis de manière organisée autour d'un mandrin central de support. Cet enroulement hélicoïdal peut servir non seulement à contrôler la densité de tassement des tubes, mais fournit également un mécanisme unique pour combattre le retrait dimensionnel potentiel des tubes à basse température. Dans les appareils dont les micro-tubes sont orientés parallèlement, le retrait des tubes dû à la contraction thermique peut potentiellement exercer une contrainte sur les micro-tubes 4 peuvent qui sera transmise à la plaque tubulaire. Cette contrainte peut entraîner une rupture de la liaison entre le matériau de la plaque tubulaire et les tubes individuels ou, dans des cas extrêmes, une défaillance de la plaque tubulaire ou du collecteur lui-même.
Les micro-tubes 4 enroulés en hélice permettent de soulager la contrainte de retrait en modifiant leur angle d'enroulement dans le dispositif. Les micro-tubes 4 peuvent ne sont donc pas soumis à une tension axiale lors de leur rétrécissement.
La [Fig. 8] illustre une vue en coupe longitudinale d'un exemple possible de réalisation d'un tel échangeur de chaleur avec des micro-tubes 4 enroulés en hélice autour d'un mandrin 20 central. Le faisceau de micro-tubes 4 enroulés peut former ainsi une entité tubulaire dont les deux extrémités peuvent être montées respectivement sur des axes de deux inserts 21, 22 montés aux extrémités du mandrin 20.
La surface périphérique (par exemple cylindrique) du faisceau de micro-tubes 4 peut être revêtue d'un enroulement ou d'une couche 23 de protection et/ou de maintien. Le fluide 2 mis en circulation dans les micro-tubes 4 peut être admis par exemple transversalement à une entrée à une extrémité longitudinale de l'échangeur et ressortir à l'autre extrémité longitudinale, par exemple via des passages 24 débouchant au travers du mandrin 20 et sortir via un passage central d'un insert 22. Le fluide de refroidissement peut lui transiter longitudinalement autour des micro-tubes 4 selon une direction opposée à la progression longitudinale du premier fluide 2.
De plus, l'une et de préférence les deux extrémités longitudinales du faisceau de micro-tubes 4 comprend une couche 13 de matériau rigide tel qu'un thermodurcissable (résine époxy ou autre) assurant la cohésion du faisceau de micro-tubes et résistant aux températures cryogéniques. Cette zone rigide peut notamment être utilisée pour assurer une étanchéité entre les deux circuits de fluide (par exemple via un ou des joints 18, notamment des joints toriques interposés entre le boîtier 5 et la couche 13 de résine (tel qu'illustré à la [Fig. 3]).
Cette masse ou couche 13 de matériau résineux solide lie les micro-tubes 4 aux extrémités pour empêcher le fluide à haute pression de communiquer avec le fluide à basse pression lorsque le module fonctionne. La résine utilisée pour cette partie se lie de façon fiable avec le matériau constitutif des micro-tubes 4 et a également une température de transition vitreuse Tg élevée (par exemple de l'ordre de 150 °C).
Cette adhésion entre la résine et les micro-tubes 4 est améliorée par l'utilisation des matériaux précités constituant les micro tubes 4. En effet, le PEEK est un matériau cristallin dont la surface est relativement "glissante" en raison de son faible coefficient de frottement. Par conséquent, il est généralement difficile de le lier à une résine adhésive. L'incorporation de polyétherimide (Ultem) ou équivalent comme précité dans la composition micro-tubes 4 produit une structure amorphe. L'alliage donne donc à la résine plus de possibilités de "liaison » pour une meilleure adhérence.
Comme illustré à la [Fig. 3] ou la [Fig. 4], le boîtier 5 peut abriter au moins un organe 11 élastique contraint selon la direction longitudinale entre une butée formée dans le boitier 5 et une extrémité longitudinale du faisceau de micro-tubes, pour assurer le maintien longitudinal du faisceau de micro-tubes tout en permettant sa dilatation ou sa contraction relativement au boîtier 5 selon la direction longitudinale. Ainsi, une extrémité longitudinale du faisceau de micro-tubes peut être bloquée longitudinalement tandis que l'autre peut être libre longitudinalement et maintenue par l'organe 11 élastique. Ceci permet d'absorber des contractions/dilatation du faisceau de micro-tubes lorsque le faisceau est soumis à des variations de température tout en conservant l'étanchéité.
Comme illustré à la [Fig. 3] ou la [Fig. 4], l'organe élastique peut comprendre ou être constitué d'un ressort 11, notamment hélicoïdal. Bien entendu, une ou plusieurs rondelles 12 élastiques empilées notamment de type Belleville peuvent être envisagées comme schématisé à la [Fig. 5].
Le premier fluide 2 (gaz ou liquide par exemple à haute pression comprise entre 5 bars et 100 bars) peut entrer via l'entrée 6 (à gauche à la [Fig. 1]), pénétrer dans les micro-tubes 4 et ressortir à l'autre extrémité via la sortie 7. Simultanément, le second fluide 3 (gaz ou liquide par exemple à basse pression comprise entre 1 bar et 99bar) entre dans le boîtier 5 via une entrée (en partie supérieure à la [Fig. 1]), circule autour des micro-tubes 4 et sort via la sortie 9 (en partie inférieure à la [Fig. 1]).
Le mode de réalisation de la [Fig. 2] se distingue de celui de la [Fig. 1] uniquement en ce que des déflecteurs 19 transversaux sont prévus dans le boîtier 5 pour forcer le second fluide à serpenter autour des micro-tubes 4 entre l'entrée 8 et la sortie 9. Ceci améliore l'efficacité de l'échange thermique.
Le boîtier 5 peut être constitué de matériau composite, de résine époxy avec fibres de verre, polymère, métallique ou tout autre matériau approprié et notamment le même matériau que celui constituant les micro-tubes 4. Ceci minimise les différentiels de contraction entre le boîtier 5 et les micro-tubes 4.
Le différentiel de pression entre la pression du fluide circulant dans les micro-tubes 4 (par exemple à haute pression) et la pression du fluide circulant autour des micro-tubes (par exemple à basse pression) peut être de l'ordre de quelques bars ou plusieurs dizaines de bar, par exemple de l'ordre de cent bar. Comme illustré à la [Fig. 6], le boîtier 5 peut comprendre une zone élastique 14 selon la direction longitudinale telle qu'un soufflet pour absorber des variations de dimensions dues aux changements de température.
Un tel échangeur 11 de chaleur cryogénique est particulièrement efficace, compact et léger par rapport aux échangeurs cryogéniques connus. Un tel échangeur peut être utilisé notamment comme échangeur de refroidissement dans un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction.
L'échangeur 1 de chaleur peut en particulier peut être utilisé dans un refroidisseur liquéfacteur de type « Turbo Brayton ».
La [Fig. 7] illustre un exemple de dispositif 10 de refroidissement. Celui-ci comprend un circuit 15 de travail contenant un fluide de travail (hélium et/ou hydrogène et/ou argon et/ou azote et/ou tout autre gaz).
Le circuit 15 de travail comprend au moins un compresseur 16 du gaz de travail, au moins un échangeur 1 de chaleur de refroidissement du fluide comprimé, au moins un organe 17 de détente du fluide de travail, au moins un échangeur 117 de chaleur de réchauffage du fluide de travail détendu. L'organe de détente peut comprendre par exemple au moins l'un parmi une turbine, une vanne Joule-Thomson, au moins un orifice... Par exemple le au moins un échangeur 1 de chaleur de refroidissement et/ou le au moins un échangeur 1 de chaleur de réchauffage peut être un échangeur 1 de chaleur du type précité à micro-tubes polymères.
Par exemple, un tel échangeur 1 de chaleur peut être utilisé dans un tel dispositif comme échangeur de chaleur à contre- courant pour mettre en échange thermique le fluide de travail dans deux états distincts du cycle.
Par exemple, à une extrémité de l'échangeur 1 de chaleur (à droite à la [Fig. 7]) la température du fluide est diminuée dans l'échangeur 1 de chaleur (par exemple de la température ambiante non cryogénique jusqu'à une température cryogénique notamment entre 130K et 4K) tandis qu'à une autre extrémité (à gauche sur la [Fig. 7]) un flux de ce fluide est réchauffé (par exemple d'une température cryogénique jusqu'à une température non cryogénique).
Bien entendu, l'échangeur 1 de chaleur n'est pas limité aux exemples ci-dessus. Ainsi, par exemple, l'échanger de chaleur peut être configuré pour réaliser un échange de chaleur entre plus de deux fluides (trois, quatre ou plus). C'est-à-dire que des portions distinctes des micro-tubes 4 et/ou du volume autour des micro-tubes 4 peuvent accueillir des flux distincts de fluides (fluides différents ou fluide de même nature mais à des températures différentes ou semblables) en vue d'échanges thermiques dans l'échangeur de chaleur 1.
Un tel échangeur 1 de chaleur peu le cas échant assurer un échange thermique avec un autre fluide (azote liquide par exemple).
Un tel échangeur 1 de chaleur peut notamment être utilisé pour assurer un pré-refroidissement du fluide avec un fluide froid caloporteur (azote liquide, ou tout autre fluide).
Un tel échangeur 1 de chaleur peut également être utilisée pour le refroidissement du fluide de travail à la sortie d'un compresseur. Dans ce cas le fluide de travail peut être mis en échange de chaleur avec un fluide caloporteur tel que de l'eau par exemple. Dans ce cas les fluides mis en échange thermique ne sont pas forcément à des températures cryogéniques et pourrait être remplacé par un échangeur de chaleur plus classique mais l'intérêt de l'échangeur 1 de chaleur précité reste important. Un tel échangeur 1 de chaleur peut également être utilisé pour réchauffer un fluide cryogénique contenu dans un stockage. L'échangeur 1 de chaleur est par exemple situé à l'extérieur du stockage et assure un échange thermique entre le fluide cryogénique prélevé dans le stockage et un fluide plus chaud (air, eau ou autre fluide caloporteur) pour le vaporiser.
A titre d'exemple, un tel échangeur 1 de chaleur peut être utilisé pour refroidir et/ou réchauffer de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, de l'argon ou un mélange de tout ou partie de ces composants sous forme cryogénique par échange de chaleur avec un fluide cryogénique ou non : azote, hélium, hydrogène, argon ou un mélange de tout ou partie de ces derniers et/ou de 1'eau.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de refroidissement cryogénique d'un premier fluide
(2) par échange thermique avec au moins un second fluide (3) dans un échangeur (1) de chaleur, le premier fluide (2) et/ou le second fluide (3) étant à une température comprise entre -100°C et -273°C, caractérisé en ce que l'échangeur (1) de chaleur est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes (4) en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1mm, l'un des premier (2) et second
(3) fluides étant mis en circulation à l'intérieur desdits micro tubes (4) tandis que l'autre fluide est mis en circulation autour desdits micro-tubes (4) et ce que l'échangeur (1) de chaleur comprend un boîtier (5) dans lequel sont disposés les micro tubes (4), le boîtier (5) comprenant une première entrée (6) communiquant avec une première extrémité des micro-tubes (4), le boîtier (5) comprenant une première sortie (7) communiquant avec une seconde extrémité des micro-tubes (4), le boîtier (5) comprenant également une seconde entrée (8) et une seconde sortie (9) communiquant avec le volume situé autour des micro-tubes
(4).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) sont constitués de l'un au moins des matériaux suivants : polyétheréthercétone (PEEK), Polytétrafluoroéthylène (PTFE), Polyétherimide, polyimides, polyamides, polycarbonates ou tout autre matériau plastique compatibles avec un usage auxdites basses températures.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) sont constitués d'un matériau comprenant un mélange de polyétherimide (« Ultem ») et de Peek.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) sont constitués d'un matériau ayant une masse volumique comprise entre à 2700kg/m3 et 900kg/m3 et notamment inférieure à 1500kg/m3.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) ont un diamètre compris entre 0,1mm et 5mm.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le différentiel de pression entre la pression du fluide (2) mis en circulation dans les micro-tubes (4) et, la pression du fluide (3) mis en circulation autour des micro-tubes (4) est compris entre 1 bar et 100bar et notamment compris entre 10 et 50bar.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) sont disposés en faisceau selon une direction longitudinale dans le boîtier (5).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les micro-tubes (4) sont enroulés en hélice, de préférence répartis autour d'un mandrin (20) central de support.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'une au moins des deux extrémités longitudinales du faisceau de micro-tubes (4) comprend une couche (13) de matériau rigide tel qu'un thermodurcissable assurant la cohésion du faisceau de micro-tubes, le boîtier (5) abritant au moins un organe (11, 12) élastique contraint selon la direction longitudinale entre une butée formée dans le boîtier (5) et une extrémité longitudinale du faisceau de micro-tubes, pour assurer le maintien longitudinal du faisceau de micro-tubes tout en permettant une dilatation ou une contraction relativement au boîtier (5) selon la direction longitudinale.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'organe élastique comprend au moins l'un parmi : un ressort (11), un ressort hélicoïdal, une ou plusieurs de rondelles (12) élastiques notamment de type Belleville.
11. Procédé selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que le boîtier (5) comprend une zone élastique (14) selon la direction longitudinale telle qu'un soufflet.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il assure un échange de chaleur entre plus de deux fluides, c'est-à-dire que des portions distinctes des micro-tubes (4) et/ou du volume autour des micro-tubes (4) accueillent des flux distincts de fluide(s) en vue d'échanges thermiques dans l'échangeur de chaleur (1).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le refroidissement est réalisé dans un processus de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique d'un fluide, l'échangeur (1) de chaleur étant situé dans un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique.
14. Dispositif de refroidissement cryogénique d'au moins un premier fluide par échange thermique avec au moins un second fluide comprenant un échangeur (1) de chaleur assurant un échange de chaleur entre le premier fluide et le second fluide, le premier et/ou le second fluide étant à une température comprise entre -100°C et -273°C, l'échangeur (1) de chaleur étant du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes (4) en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1mm, et ce que l'échangeur (1) de chaleur comprend un boîtier (5) dans lequel sont disposés les micro-tubes (4), le boîtier (5) comprenant une première entrée (6) communiquant avec une première extrémité des micro-tubes (4), le boîtier (5) comprenant une première sortie (7) communiquant avec une seconde extrémité des micro-tubes (4), le boîtier (5) comprenant également une seconde entrée (8) et une seconde sortie (9) communiquant avec le volume situé autour des micro-tubes (4), une mise en circulation d'au moins un fluide à l'intérieur desdits micro-tubes (4) et une mise en circulation de l'autre fluide autour desdites micro-tubes.
15. Dispositif de refroidissement selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (15) de travail contenant un fluide de travail, le circuit (15) de travail comprenant au moins un compresseur (16) du gaz de travail, au moins un échangeur (1) de chaleur de refroidissement du fluide comprimé, au moins un organe (17) de détente du fluide de travail, au moins un échangeur (1) de chaleur de réchauffage du fluide de travail détendu, caractérisé en ce que le au moins un échangeur (1) de chaleur de refroidissement et/ou le au moins un échangeur (1) de chaleur de réchauffage est du type à micro tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité des micro tubes (4) en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 10mm, et comprenant des entrées (6, 8) et sorties (7, 9) pour un premier flux de fluide de travail et un autre fluide ayant une température distincte de la température du premier flux de fluide de travail, pour assurer un échange thermique entre le premier flux de fluide de travail et l'autre fluide.
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Inventor name: DELAUTRE, GUILLAUME

Inventor name: JEUNESSE, LOIC

Inventor name: ZICK, GOLO

Inventor name: GATES, THOMAS

Inventor name: MACHERAS, JAMES TIMOTHY

Inventor name: BARJHOUX, PIERRE

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GRAA (expected) grant

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