FR2801381A1 - DEVICE FOR REFRIGERATING CELLS CONTAINING LIQUID SAMPLES IN PARTICULAR SAMPLES OF PETROLEUM PRODUCTS TO BE ANALYZED - Google Patents
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Abstract
Dispositif caractérisé en ce qu'il comporte d'une part une unité de refroidissement à cycle de Stirling ou à gaz pulsé (10) constituée par module de compression (16) coopérant avec un doigt froid (17), relié à une source de courant alternatif et équipé de moyens susceptibles de faire varier périodiquement la pression d'un gaz de travail à haute pression, notamment de l'hélium remplissant une chambre de travail subdivisée en plusieurs compartiments et s'étendant dans le module de compression (16) et dans le doigt froid (17) de façon à provoquer dans un compartiment froid situé à l'extrémité du doigt froid (17) opposée au module de compression (16) ou première extrémité (18) une détente du gaz de travail permettant d'obtenir de très basses températures à ce niveau, et d'autre part des organes de transmission de la chaleur à contact sec (11) montés sur le doigt froid (17) au niveau de la première extrémité (18) de celui-ci et coopérant avec la cellule renfermant l'échantillon à analyser de façon à permettre de refroidir cet échantillon à la température souhaitée.Device characterized in that it comprises on the one hand a Stirling cycle or pulsed gas cooling unit (10) constituted by compression module (16) cooperating with a cold finger (17), connected to a current source alternative and equipped with means capable of periodically varying the pressure of a high pressure working gas, in particular helium filling a working chamber subdivided into several compartments and extending in the compression module (16) and in the cold finger (17) so as to cause in a cold compartment located at the end of the cold finger (17) opposite the compression module (16) or first end (18) an expansion of the working gas making it possible to obtain very low temperatures at this level, and on the other hand dry contact heat transfer members (11) mounted on the cold finger (17) at the first end (18) thereof and cooperating with the cell containing the sample to be analyzed so as to allow this sample to cool to the desired temperature.
Description
La présente invention concerne un dispositif deThe present invention relates to a device for
réfrigération de cellules renfermant des échantillons liqui- refrigeration of cells containing liquid samples
des plus ou moins visqueux en particulier des échantillons de more or less viscous, in particular samples of
produits pétroliers à analyser dans des gammes de températu- petroleum products to be analyzed in temperature ranges
res pouvant aller d'environ + 50 à - 120 C. Certains tests physicochimiques se rattachant au domaine de l'analyse des produits pétroliers nécessitent un refroidissement des cellules d'analyse et des échantillons qui y sont contenus à des températures pouvant aller jusqu'à - 80 C voire - 120 C dans certains cas particuliers; parmi ces tests, on peut citer à titre d'exemple non limitatif la détermination de la température limite de filtrabilité, du point de décongélation, du point d'écoulement, du point de res which can range from approximately + 50 to - 120 C. Certain physicochemical tests relating to the field of petroleum product analysis require cooling of the analysis cells and of the samples contained therein to temperatures of up to - 80 C or even - 120 C in certain special cases; among these tests, there may be mentioned by way of nonlimiting example the determination of the limit filterability temperature, of the thawing point, of the pour point, of the
trouble ou encore du point d'éclair Tag et Abel. trouble or the flash point Tag and Abel.
Dans ce but, on utilise classiquement un disposi- For this purpose, a device is conventionally used.
tif du type représenté sur la figure 1 schématiquement cons- tif of the type shown in Figure 1 schematically cons-
titué par un cryostat de type Rankine 1 équipé d'une réserve de liquide caloporteur froid et coopérant avec un circuit de circulation 2 de ce fluide selon les flèches a, ce circuit titrated by a Rankine type cryostat 1 equipped with a reserve of cold coolant and cooperating with a circulation circuit 2 of this fluid according to the arrows a, this circuit
comportant une pompe de circulation 3. with a circulation pump 3.
Le circuit de circulation 2 est équipé. d'un ser- The circulation circuit 2 is equipped. of a ser-
pentin 4 entourant la cellule 5 devant être refroidie. pinion 4 surrounding cell 5 to be cooled.
L'ensemble constitué par le serpentin 4 et la cellule à re- The assembly constituted by the coil 4 and the cell to be
froidir 5 est placé dans une enveloppe isotherme 6 renfermant un isolant thermique 7. Une sonde de température 8 permet de cool 5 is placed in an isothermal envelope 6 containing a thermal insulator 7. A temperature probe 8 makes it possible to
vérifier à tout instant la température de la cellule 5. check the cell temperature at all times 5.
Ce dispositif classique dans lequel la cellule, renfermant l'échantillon, est refroidie par contact avec le serpentin dans lequel circule le fluide caloporteur présente This conventional device in which the cell, containing the sample, is cooled by contact with the coil in which the heat transfer fluid circulates
un certain nombre d'inconvénients.a number of drawbacks.
Il est en particulier à noter que le refroidisse- It should be noted in particular that the cooling
ment d'une cellule à une température de - 80 C nécessite la mise en oeuvre d'un liquide caloporteur à une température ment of a cell at a temperature of - 80 C requires the use of a heat transfer liquid at a temperature
d'environ - 85 C à - 90 C, ce qui oblige à utiliser un cryo- about - 85 C to - 90 C, which requires the use of a cryogenic
générateur de type Rankine à double étage; or, de tels cryo- double stage Rankine type generator; however, such cryo-
générateurs sont des appareils volumineux, bruyants et fragi- generators are bulky, noisy and fragile devices
les.the.
De plus, pour refroidir la cellule, il est néces- In addition, to cool the cell, it is necessary
saire de disposer d'une réserve d'un liquide caloporteur froid restant fluide à très basse température; à cet effet, on utilise actuellement essentiellement le méthanol vu que les autres liquides disponibles dont la mise en oeuvre pour- rait également être envisagée sont soit très chers soit très volatils à température ambiante. Or, du fait de sa toxicité, be able to have a reserve of a cold heat transfer liquid remaining fluid at very low temperature; for this purpose, methanol is currently used essentially since the other available liquids whose implementation could also be envisaged are either very expensive or very volatile at room temperature. However, because of its toxicity,
il est probable que l'utilisation du méthanol dans les labo- it is likely that the use of methanol in labs
ratoires sera interdite à court terme. racks will be banned in the short term.
Par ailleurs, du fait de leur relative fragilité, les cryo-générateurs de type Rankine ne sont pas intégrés dans les analyseurs, ce qui nécessite des lignes de liaison isolées thermiquement avec ces derniers; or, ces lignes de Furthermore, due to their relative fragility, the cryo-generators of Rankine type are not integrated into the analyzers, which requires thermally insulated connecting lines with the latter; these lines of
liaison sont source de risques de fuites et de pertes thermi- connection are a source of risk of leaks and thermal losses
ques importantes, et en conséquence le rendement global de ce ques important, and therefore the overall performance of this
type de source de froid est très faible. type of cold source is very weak.
Il est de plus à noter que la maîtrise de la tem- It should also be noted that the control of the time
pérature des cellules est délicate du fait de la dispropor- cell temperature is delicate due to the disproportion
tion de l'énergie disponible et de l'énergie nécessaire, ainsi que des chocs thermiques imposés à la cellule à chaque tion of the available energy and the necessary energy, as well as the thermal shocks imposed on the cell at each
injection de fluide caloporteur.injection of heat transfer fluid.
La présente invention a pour objet de proposer un The object of the present invention is to provide a
dispositif permettant la réfrigération à très basse tempéra- device allowing refrigeration at very low temperatures
ture de cellules renfermant des échantillons liquides, en ture of cells containing liquid samples, in
particulier des échantillons de produits pétroliers à analy- particularly samples of petroleum products to be analyzed
ser de nature à remédier à ces inconvénients. be likely to remedy these drawbacks.
A cet effet, elle concerne un dispositif caracté- To this end, it relates to a device characterized
risé en ce qu'il comporte d'une part une unité de refroidis- laughed at in that it comprises on the one hand a cooling unit
sement à cycle de Stirling ou à gaz pulsé et d'autre part des organes de transmission de la chaleur à contact sec montés Stirling cycle or pulsed gas and on the other hand dry contact heat transfer devices fitted
sur cette unité de refroidissement et coopérant avec la cel- on this cooling unit and cooperating with it
lule renfermant l'échantillon à analyser de façon à permettre lule containing the sample to be analyzed so as to allow
de refroidir cet échantillon à la température souhaitée. to cool this sample to the desired temperature.
Les unités de refroidissement à cycle de Stirling Stirling cycle cooling units
ou à gaz pulsé qui ont été conçues en particulier pour le re- or pulsed gas which have been designed especially for the re-
froidissement à très basse température de composants électro- very low temperature cooling of electro-
niques sont schématiquement constituées par un module de compression coopérant avec un doigt froid, relié à une source de courant alternatif et équipé de moyens susceptibles de faire varier périodiquement la pression d'un gaz de travail à haute pression, notamment de l'hélium remplissant une chambre de travail subdivisée en plusieurs compartiments s'étendant dans le module de compression et dans le doigt froid; il est ainsi possible de provoquer dans un compartiment froid situé à l'extrémité du doigt froid opposée au module de compression picnics are schematically constituted by a compression module cooperating with a cold finger, connected to an alternating current source and equipped with means capable of periodically varying the pressure of a working gas at high pressure, in particular helium filling a working chamber subdivided into several compartments extending in the compression module and in the cold finger; it is thus possible to provoke in a cold compartment located at the end of the cold finger opposite the compression module
ou première extrémité une détente du gaz de travail permet- or first end, an expansion of the working gas allows
tant d'obtenir de très basses températures à ce niveau. both to get very low temperatures at this level.
Selon l'invention, les organes de transmission de la chaleur à contact sec sont montés sur le doigt froid, au According to the invention, the dry contact heat transfer members are mounted on the cold finger, at the
niveau de la première extrémité de celui-ci. level of the first end of it.
La configuration de ces organes de transmission de la chaleur varie en fonction du test devant être mis en The configuration of these heat transfer devices varies depending on the test to be carried out.
oeuvre.artwork.
Selon une variante de l'invention adaptée à titre According to a variant of the invention adapted as
d'exemple à la détermination de la température limite de fil- example for determining the wire limit temperature
trabilité de produits pétroliers conformément à la norme eu- traceability of petroleum products in accordance with eu-
ropéenne pr EN 116, les organes de transmission de la chaleur sont constitués par une gaine tubulaire métallique notamment en cuivre entourant la cellule renfermant l'échantillon à ropéen pr EN 116, the heat transmission elements consist of a metallic tubular sheath, in particular of copper, surrounding the cell containing the sample to
analyser et équipée sur sa paroi latérale d'un manchon réali- analyze and fitted on its side wall with a realistic sleeve
sé dans le même matériau dont la forme et les dimensions cor- dried in the same material whose shape and dimensions
respondent à celles de la première extrémité du doigt froid correspond to those of the first end of the cold finger
et venant coiffer cette première extrémité. and coming to style this first end.
Conformément à cette variante, la gaine tubulaire According to this variant, the tubular sheath
ainsi que la première extrémité du doigt froid coiffé du man- as well as the first end of the cold finger wearing the man-
chon métallique sont montés à la partie interne d'une enve- metal plugs are mounted on the inside of an enclosure
loppe isotherme renfermant un isolant thermique. insulated cover containing thermal insulation.
La configuration des organes de transmission de la chaleur peut bien entendu être totalement différente en fonction du test à effectuer et par suite du type de cellules The configuration of the heat transmission members can of course be totally different depending on the test to be performed and therefore the type of cells.
à refroidir.to cool.
Dans tous les cas, les organes de transmission de la chaleur sont équipés d'une sonde de température coopérant avec des organes de régulation permettant de régler finement In all cases, the heat transmission members are equipped with a temperature sensor cooperating with regulating members allowing fine adjustment.
la température de la cellule.cell temperature.
De manière plus précise, une unité de refroidis- More specifically, a cooling unit
sement à cycle de Stirling comporte en règle générale un mo- Stirling cycle generally involves a mo-
dule de compression essentiellement cylindrique ainsi qu'un doigt froid lui aussi essentiellement cylindrique situé dans le prolongement du module de compression coaxialement à ce essentially cylindrical compression element as well as a cold, essentially cylindrical finger located in the extension of the compression module coaxially to this
module mais ayant un diamètre moindre. module but having a smaller diameter.
Le module de compression renferme au moins un piston principal commandé par un moteur linéaire ou rotatif alimenté par la source de courant alternatif et se déplaçant The compression module contains at least one main piston controlled by a linear or rotary motor powered by the alternating current source and moving
en va-et-vient pour comprimer le gaz de travail dans un com- back and forth to compress the working gas in a com-
partiment de compression. Le doigt froid renferme quant à lui un piston balayeur creux rempli d'un échangeur de chaleur, monté élastiquement, se déplaçant à la même fréquence que le piston principal mais en opposition de phase et coopérant avec celui-ci pour faire varier périodiquement la pression du compression part. The cold finger, for its part, contains a hollow sweeping piston filled with an elastically mounted heat exchanger, moving at the same frequency as the main piston but in phase opposition and cooperating with the latter to periodically vary the pressure of the
gaz de travail dans les différents compartiments de la cham- working gas in the different compartments of the chamber
bre de travail; ce piston balayeur subdivise le doigt froid à sa partie interne en deux compartiments communiquant entre eux au travers de l'échangeur de chaleur, à savoir d'une part le compartiment froid situé à la première extrémité du doigt froid et d'autre part un compartiment chaud situé à l'extrémité opposée de ce doigt et relié au compartiment de compression. Une telle unité de refroidissement connue en working hours; this sweeping piston subdivides the cold finger at its internal part into two compartments communicating with each other through the heat exchanger, namely on the one hand the cold compartment located at the first end of the cold finger and on the other hand a compartment located at the opposite end of this finger and connected to the compression compartment. Such a cooling unit known in
elle-même dont la configuration est à titre d'exemple divul- itself whose configuration is for example disclosed
guée dans les documents US-A-4 894 996 et US-A-5 088 288 ne sera pas dans un but de brièveté décrite plus en détail dans ford in documents US-A-4,894,996 and US-A-5,088,288 will not be for the purpose of brevity described in more detail in
le cadre de cet exposé.part of this talk.
Compte tenu des vibrations engendrées par le dé- Taking into account the vibrations generated by the
placement périodique du piston principal et du piston ba- periodic placement of the main piston and the piston
layeur, le dispositif de réfrigération conforme à l'invention layeur, the refrigeration device according to the invention
doit obligatoirement coopérer avec des organes d'amortisse- must cooperate with damping bodies
ment de ces vibrations lorsqu'il est équipé d'une telle unité ment of these vibrations when equipped with such a unit
de refroidissement.cooling.
A cet effet, et selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de refroidissement est fixée, au moyen de pattes support montées solidairement sur sa paroi latérale à une plaque de lestage, notamment en acier de masse adaptée, essentiellement parallèle à son axe longitudinal et To this end, and according to another characteristic of the invention, the cooling unit is fixed, by means of support legs mounted integrally on its side wall to a ballast plate, in particular made of steel of suitable mass, essentially parallel to its longitudinal axis and
reposant sur au moins trois, de préférence sur quatre amor- based on at least three, preferably four,
tisseurs. Les caractéristiques du dispositif qui fait l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels: weavers. The characteristics of the device which is the subject of the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which:
- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif con- - Figure 1 is a schematic view of a device
forme à l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique similaire à la figure 1 du dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue en perspective " éclatée " d'un dispositif conforme à l'invention adapté à la détermination de la température limite de filtrabilité d'un échantillon renfermé dans une cellule, selon la Norme pr EN-116, form in the prior art, - Figure 2 is a schematic view similar to Figure 1 of the device according to the invention, - Figure 3 is an "exploded" perspective view of a device according to the invention adapted determining the filterability limit temperature of a sample contained in a cell, according to Standard pr EN-116,
- la figure 4 est une vue en perspective d'un dispositif con- - Figure 4 is a perspective view of a device
forme à l'invention adapté à la détermination du point de form of the invention suitable for determining the point of
décongélation d'un échantillon renfermé dans une cellule. thawing of a sample contained in a cell.
Selon la figure 2 le dispositif de refroidisse- According to FIG. 2, the cooling device
ment est constitué par l'association d'une unité de refroi- ment consists of the association of a cooling unit
dissement 10 à cycle de Stirling ou à gaz pulsé et d'organes de transmission de la chaleur 11 à contact sec permettant de dissement 10 with Stirling or pulsed gas cycle and 11 dry contact heat transfer members allowing
refroidir à la température souhaitée une cellule 12 renfer- cool cell 12 to the desired temperature
mant un échantillon à analyser.as a sample for analysis.
L'ensemble constitué par les organes de transmis- The assembly constituted by the transmission organs-
sion de la chaleur 11 et la cellule 12 est monté à la partie interne d'une enveloppe isotherme 13 renfermant un isolant heat 11 and the cell 12 is mounted on the inner part of an insulated jacket 13 containing an insulator
thermique 14. Une sonde de température 15 permet de détermi- thermal 14. A temperature probe 15 makes it possible to determine
ner à tout instant la température de la cellule 12. at all times the temperature of cell 12.
Plus précisément, l'unité de refroidissement 10 est constituée par un module de compression 16 coopérant avec un doigt froid 17 dont l'extrémité froide 18 située à l'opposé du module de compression 16 porte les organes de More specifically, the cooling unit 10 is constituted by a compression module 16 cooperating with a cold finger 17 whose cold end 18 located opposite the compression module 16 carries the organs of
transmission de la chaleur 11 à contact sec. heat transmission 11 dry contact.
Selon les figures 3 et 4, l'unité de refroidisse- According to Figures 3 and 4, the cooling unit
ment 10 comporte un module de compression 16 essentiellement ment 10 comprises a compression module 16 essentially
cylindrique ainsi qu'un doigt froid 17 lui aussi essentielle- cylindrical as well as a cold finger 17 also essential-
ment cylindrique et situé dans le prolongement du module de compression 16 coaxialement à ce module; le diamètre du doigt froid 17 est inférieur à celui du module de compression 16. L'unité de refroidissement 10 ainsi constituée est fixée au moyen de pattes support 19 montées sur la paroi latérale du module de compression 16 sur une plaque de les- ment cylindrical and located in the extension of the compression module 16 coaxially with this module; the diameter of the cold finger 17 is less than that of the compression module 16. The cooling unit 10 thus formed is fixed by means of support lugs 19 mounted on the side wall of the compression module 16 on a plate of the
tage en acier 20 de masse déterminée pour équilibrer les vi- steel stage 20 of determined mass to balance the vi-
brations engendrées par le mouvement de va-et-vient des brations generated by the back and forth movement of
pistons se déplaçant à la partie interne de l'unité de re- pistons moving to the inner part of the re-
froidissement 10.cold 10.
Comme représenté sur les figures 3 et 4 la plaque de lestage est parallèle à l'axe longitudinal de l'unité de As shown in Figures 3 and 4 the ballast plate is parallel to the longitudinal axis of the weighing unit
refroidissement 10 et repose sur quatre amortisseurs 21. cooling 10 and based on four shock absorbers 21.
Selon la figure 3, l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 est coiffée d'un manchon annulaire en cuivre 22 de According to FIG. 3, the cold end 18 of the cold finger 17 is capped with an annular copper sleeve 22 of
dimension correspondante.corresponding dimension.
Le manchon annulaire 22 est fixé sur la paroi la- The annular sleeve 22 is fixed to the wall la-
térale d'une gaine tubulaire en cuivre 24 entourant une cel- teral of a copper tubular sheath 24 surrounding a
lule 25 de détermination de la température limite de lule 25 for determining the limit temperature of
filtrabilité d'un échantillon.filterability of a sample.
Selon la norme européenne pr EN 116, la cellule est constituée par une pipette 26 de forme particulière constituée d'un réservoir, d'un tube d'entrée et d'un tube de sortie relié à une source de vide. Le tube d'entrée passe au travers d'un bouchon 27 fermant la gaine tubulaire 24 et est relié à son extrémité inférieure à un récipient 28 renfermant l'échantillon à analyser par l'intermédiaire d'organes de According to European standard pr EN 116, the cell is constituted by a pipette 26 of particular shape consisting of a reservoir, an inlet tube and an outlet tube connected to a vacuum source. The inlet tube passes through a plug 27 closing the tubular sheath 24 and is connected at its lower end to a container 28 containing the sample to be analyzed by means of
filtration 29.filtration 29.
Un panier centreur 30 permet le maintien du tube A centering basket 30 allows the tube to be held
d'entrée à la partie interne de la gaine tubulaire 24. inlet to the internal part of the tubular sheath 24.
Le bouchon 27 est par ailleurs muni d'une sonde de température 31 permettant de déterminer à chaque instant The plug 27 is also provided with a temperature probe 31 making it possible to determine at any time
la température régnant à l'intérieur du récipient 28. the temperature prevailing inside the container 28.
Selon la figure 3, l'ensemble formé par la gaine tubulaire 24 et par le manchon annulaire 22 coiffant l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 constitue les organes According to FIG. 3, the assembly formed by the tubular sheath 24 and by the annular sleeve 22 covering the cold end 18 of the cold finger 17 constitutes the organs
de transmission de la chaleur à contact sec 11. dry contact heat transfer system 11.
Cet ensemble 11 est fixé sur la plaque de lestage , au niveau de l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 par l'intermédiaire d'un cavalier de bridage 32 et d'une bague This assembly 11 is fixed to the ballast plate, at the cold end 18 of the cold finger 17 by means of a clamping jumper 32 and a ring
supérieure 33.upper 33.
Selon la figure 4, les organes de transmission de la chaleur à contact sec 11' sont constitués par une plaque de transmission métallique 35 emmanché sur le doigt froid 17 According to FIG. 4, the dry contact heat transmission members 11 ′ are constituted by a metal transmission plate 35 fitted on the cold finger 17
et maintenu sur celui-ci au moyen d'une bride 34. and held thereon by means of a flange 34.
Le capot de transmission 35 s'applique contre l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 par la face interne The transmission cover 35 is applied against the cold end 18 of the cold finger 17 by the internal face
de son fond 36.from its bottom 36.
La face externe du fond 36 de la plaque de trans- The outer face of the bottom 36 of the transfer plate
mission 35 opposée à la face interne par laquelle elle s'applique contre l'extrémité froide 18 du doigt froid 17 mission 35 opposite the internal face by which it is applied against the cold end 18 of the cold finger 17
porte une cellule 37 de détermination du point de décongéla- carries a cell 37 for determining the defrosting point
tion d'un échantillon.tion of a sample.
Cette cellule 37 est équipée d'un orifice d'entrée 38 et d'un orifice d'évacuation 39 de l'échantillon This cell 37 is equipped with an inlet port 38 and an outlet port 39 for the sample.
à analyser ainsi que de deux capteurs optiques 40 et 40' fai- to be analyzed as well as two optical sensors 40 and 40 '
sant respectivement office d'émetteur et de récepteur. Un capteur de température 41 fixé à la cellule 36 par acting respectively as transmitter and receiver. A temperature sensor 41 fixed to the cell 36 by
l'intermédiaire d'une bride 39 permet de suivre à tout ins- through a flange 39 makes it possible to follow at any time
tant la température de l'échantillon. both the temperature of the sample.
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