FR2999693A1 - Dispositif de refrigeration et/ou de liquefaction et procede correspondant - Google Patents

Dispositif de refrigeration et/ou de liquefaction et procede correspondant Download PDF

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Abstract

Dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série : une station (1) de compression, une boîte froide (2), un système (14) d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur (10), le dispositif comprenant en outre un système de prérefroidissement additionnel comprenant au moins une capacité (3) de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la boîte froide (2) comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier (5) échangeur disposé à la sortie de la station (1) de compression ainsi qu'un second (15) échangeur de chaleur et un troisième (25) échangeur de chaleur, le premier (5) échangeur de chaleur étant du type en aluminium à plaque et ailettes, le second échangeur (15) de chaleur étant du type à tube(s) ou du type à plaques soudées, caractérisé en ce que les second (15) et troisième (25) échangeurs de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail en aval du premier (5) échangeur de chaleur.

Description

La présente invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction ainsi qu'un procédé correspondant. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série : - une station de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur, - une boîte froide pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur disposés en série et au moins un organe de détente du gaz de travail, - un système d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur, au moins une conduite de retour dans la station de compression pour le gaz de travail ayant transité dans le système d'échange thermique, la conduite de retour comprenant au moins un échangeur de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station de compression, le système de pré-refroidissement comprenant au moins une capacité de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier échangeur disposé à la sortie de la station de compression ainsi qu'un second échangeur de chaleur et un troisième échangeur de chaleur, le premier échangeur de chaleur étant du type en aluminium à plaque et ailettes, le second échangeur de chaleur étant du type à tube(s) ou du type à plaques soudées, ce second échangeur de chaleur étant immergé dans un bain de fluide auxiliaire de refroidissement. L'invention concerne notamment les réfrigérateurs/liquéfacteurs à hélium générant des températures très basses (par exemple 4,5K pour le cas de l'hélium) en vue de refroidir en continu des utilisateurs tels que des câbles supraconducteurs ou des organes d'un dispositif de génération de plasma (« TOKAMAK »). Par dispositif de réfrigération/liquéfaction, on désigne notamment les dispositifs de réfrigération et/ou les dispositifs de liquéfaction à très basse température (températures cryogéniques) refroidissant et liquéfiant le cas échéant un gaz à faible masse molaire tel que de l'hélium. Lors de la mise en froid de l'utilisateur, c'est-à-dire lorsque l'utilisateur doit être amené d'une température de départ relativement élevée (par exemple 300K ou au-dessus) jusqu'à une température basse déterminée de fonctionnement nominal (par exemple autour de 80K). Le dispositif de réfrigération/liquéfaction est généralement peu adapté à une telle mise en froid. En effet, lors de la mise en froid de composants lourds (comme des aimants surpra-conducteurs par exemple) de la température ambiante jusqu'à 80K sur une grande période (pendant quelques dizaines de jours), des flux d'hélium relativement chaud et froid (alimentation en direction de l'utilisateur et retour de l'utilisateur) transitent à contre-courant dans des échangeurs communs. Pour le bon fonctionnement du dispositif, il est cependant nécessaire de limiter l'écart de température entre ces flux d'hélium (par exemple entre 40K et 50K d'écart au maximum). A cet effet le dispositif comporte un système de pré-refroidissement auxiliaire qui fournit des frigories pendant cette mise en froid. Comme illustré notamment dans l'article (« Solutions for liquid nitrogen pre- cooling in helium refrigeration cycles » de U. Wagner du CERN - 2000), le système de pré-refroidissement comprend généralement une capacité d'azote liquide (à température constante, par exemple 80K) qui fournit des frigories au gaz de travail via au moins un échangeur de chaleur. Ces systèmes connus de pré-refroidissement présentent cependant des contraintes ou inconvénients. Ainsi, des mélanges de fluides sont nécessaires entre de l'hélium à 80K et de l'hélium plus chaud (à la température ambiante ou à la température de retour de l'utilisateur à refroidir). Pour limiter la consommation d'azote liquide il est par ailleurs nécessaire de récupérer les frigories de l'hélium qui revient de l'utilisateur à refroidir au fur et à mesure de son refroidissement. Ces contraintes d'écart de température et de performance nécessitent des technologies d'échangeurs de chaleur différentes en fonction des différentes configurations de fonctionnement (mise en froid, fonctionnement normal). Ainsi, pendant l'opération normale (hors de la phase de mise en froid), les échangeurs doivent être très performants, c'est-à-dire avoir de faibles pertes de charge et ne doivent pas être confrontés à des écarts de température importants. Les échangeurs de chaleurs adaptés pour ce fonctionnement normal comprennent des échangeurs de type en aluminium à plaque et ailettes brasées. Ce type d'échangeur ne peut typiquement accepter des écarts de température entre fluides à contre courant de plus 50 K.
Pendant la mise en froid d'utilisateurs massifs, la performance de l'échange thermique requis dans les échangeurs est moins importante mais reste élevée. En revanche, les écarts de température (du fait de l'azote liquide à température constante) deviennent relativement importants (supérieurs à 50K). Lorsque les températures de l'hélium sont encore élevées dans les circuits et échangeurs, la perte de charge est bien supérieure à celle requise en fonctionnement normal. Des solutions existantes pour résoudre ces problèmes nécessitent un échangeur principal à l'entrée de la boîte froide qui assure un échange thermique entre l'hélium et l'azote. D'autres solutions prévoient de scinder cet échangeur principal en plusieurs sections indépendantes réalisées dans des technologies d'échangeurs différentes selon la nature du fluide (hélium ou azote). Ces solutions ne résolvent pas de façon satisfaisante les problèmes car le dispositif est soit mal adapté au fonctionnement normal, soit mal adapté à la phase de mise en froid.
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 les second et troisième échangeurs de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail en aval du premier échangeur de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail refroidi dans le premier échangeur de chaleur peut être admis sélectivement dans le second et/ou dans le troisième échangeur de chaleur, et en ce que le second échangeur de chaleur est immergé dans une première capacité (3) de gaz auxiliaire liquéfié. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le second échangeur de chaleur est l'un parmi : un échangeur de chaleur de type à tubes en inox ou aluminium, un échangeur de chaleur de type à tube à ailettes en inox ou aluminium, un échangeur à plaques soudées en inox, - le circuit comprend une branche de by-pass sélectif du troisième échangeur de chaleur permettant sélectivement au gaz de travail issu du premier 10 et/ou du second échangeur de chaleur d'éviter le troisième échangeur de chaleur dans le circuit de travail, - le dispositif comporte une première conduite d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la première capacité à un système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le 15 premier échangeur de chaleur, - la première conduite d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé comprend une branche de by-pass sélectif du premier échangeur de chaleur, - le troisième échangeur est du type à échange de chaleur sélectif entre le gaz de travail et le fluide auxiliaire, le dispositif comprenant une conduite 20 d'alimentation sélectif reliant la première capacité au troisième échangeur de chaleur, pour transférer des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail dans le troisième échangeur de chaleur, - le dispositif comporte une seconde capacité de fluide sélectivement alimentée en fluide auxiliaire par une source de fluide auxiliaire et en ce que le 25 troisième échangeur de chaleur est immergé dans ladite seconde capacité pour permettre un échange de frigories entre le gaz de travail et le fluide auxiliaire de la seconde capacité, - le dispositif comporte une seconde conduite d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la seconde capacité à un 30 système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le premier échangeur de chaleur, - la seconde conduite d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé comprend une branche de by-pass sélectif du premier échangeur de chaleur, - le second et le troisième échangeurs de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail à la sortie du premier échangeur de chaleur via un réseau de conduites et de vannes formant une liaison en parallèle et une liaison en série entre les deux échangeurs de chaleur ainsi qu'une ligne de by-pass (c'est-à-dire de dérivation) du second échangeur de chaleur, - la première capacité est sélectivement alimentée en fluide auxiliaire via une conduite d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire et munie d'une vanne, - le premier échangeur de chaleur est du type à échange de chaleur entre des flux différents de gaz de travail à des températures respectives différentes et comprend un premier passage alimentée en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant de la station de compression, un second passage à contre-courant du premier passage et alimenté par la conduite de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite de renvoi du circuit de travail renvoyant du gaz de travail à partir de la boîte froide n'ayant pas transité dans le système d'échange thermique, L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après, dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 250K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis est subdivisé en deux flux dont un premier flux est refroidi dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur et un deuxième flux est refroidi directement dans le troisième échangeur de chaleur, le fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité étant évacué sans céder des frigories au premier échangeur de chaleur.
L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 250K et 150K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis est scindé en deux flux dont un premier flux est refroidi dans le troisième échangeur de chaleur et un second flux by-évite le troisième échangeur, le troisième échangeur étant alimenté en fluide auxiliaire pour transférer des frigories du fluide auxiliaire au gaz de travail dans le troisième échangeur, le fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité et/ou au contact du troisième échangeur étant évacué sans céder des frigories au premier échangeur de chaleur. L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 150K et 95K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis dans le second échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur de chaleur, au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité et/ou au contact du troisième échangeur étant évacué en cédant des frigories au premier échangeur de chaleur, L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après dans lequel, l'utilisateur est refroidi via le système d'échange thermique, le procédé comportant une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur ayant une température initiale comprise entre 95K et 80K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis uniquement dans le troisième échangeur de chaleur, le fluide auxiliaire vaporisé au contact du troisième échangeur étant évacué en cédant des frigories au premier échangeur de chaleur. L'invention concerne également un procédé de refroidissement d'un utilisateur utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après dans lequel, après une phase de pré-refroidissement éventuel, le dispositif refroidit l'utilisateur selon un fonctionnement dit nominal dans lequel le gaz de travail sortant de la station de compression est refroidi par échange thermique dans le premier échangeur de chaleur puis uniquement dans le troisième échangeur de chaleur, le troisième échangeur étant alimenté en fluide auxiliaire pour transférer des frigories du fluide auxiliaire au gaz de travail dans le troisième échangeur et en ce le fluide auxiliaire vaporisé au contact du troisième échangeur est évacué en cédant des frigories au premier échangeur de chaleur.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue simplifiée, schématique et partielle, illustrant la structure d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur, - la figure 2 représente de façon schématique et partielle, un premier exemple de structure et de fonctionnement d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération utilisé pour refroidir un organe utilisateur, - la figure 3 représente de façon schématique et partielle un détail de la boîte froide d'un dispositif de liquéfaction/réfrigération selon un second exemple de réalisation, - les figures 4 à 7 représentent le détail de la figure 3 selon respectivement différentes configurations de fonctionnement distinctes.
Comme représenté à la figure 1, l'installation 100 peut comprendre, classiquement, un dispositif de réfrigération/liquéfaction comprenant un circuit de travail soumettant de l'hélium à un cycle de travail pour produire du froid. Le circuit de travail du dispositif de réfrigération 2 comprend une station 1 de compression munie d'au moins un compresseur 5 et de préférence plusieurs compresseurs qui assurent une compression de l'hélium. En sortie de la station de la station 1 de compression, l'hélium entre dans une boite 2 de froide pour le refroidissement de l'hélium. La boîte 2 froide comprend plusieurs échangeurs 5 de chaleur qui échangent thermiquement avec l'hélium pour refroidir ce dernier. De plus, la boîte 2 froide comprend une ou plusieurs turbines 7 pour détendre l'hélium compressé. De préférence, la boite 2 froide fonctionne selon un cycle thermodynamique de type Brayton ou tout autre cycle approprié. Au moins une partie de l'hélium est liquéfié à la sortie de la boîte 5 2 froide et entre dans un système 14 d'échange thermique prévu pour assurer un échange thermique sélectif entre l'hélium liquide et un utilisateur 10 à refroidir. L'utilisateur 10 comprend par exemple un générateur de champ magnétique obtenu à l'aide d'un aimant supraconducteur et/ou une ou des unités de pompage par cryo-condensation ou tout autre organe nécessitant un refroidissement à très 10 basse température. Comme schématisé à la figure 1, le dispositif comprend en outre, de façon connue en soit, un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station 2 de compression. Le système de pré-refroidissement comprend une capacité 3 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide. 15 La capacité 3 est reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail. Par exemple, la capacité 3 peut être alimentée en fluide auxiliaire via une conduite 113 d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire (non représentée) 20 et munie d'une vanne 23 (cf. figure 3). Dans l'exemple plus détaillé de la figure 2, la station 1 de compression comporte deux compresseurs 11, 12 en série définissant par exemple trois niveaux de pression pour l'hélium. Comme schématisé, la station 2 de compression peut comporter également des organes 8 de purification de l'hélium. 25 A la sortie de la station 1 de compression, l'hélium est admis dans une boîte 2 froide dans laquelle cet hélium est refroidi par échange thermique avec plusieurs échangeurs 5 et est dans laquelle il est détendu dans des turbines 7. L'hélium liquéfié dans la boite 2 froide peut être stocké dans une réserve 14 munie d'un échangeur 144 destiné à échanger thermiquement avec l'utilisateur 10 30 à refroidir (par exemple via un circuit muni d'une pompe). Ce système 14 d'échange thermique entre l'hélium et l'utilisateur 10 peut comporter toute autre structure appropriée.
L'hélium à basse pression ayant transité dans le système 14 d'échange thermique est renvoyé vers la station 1 de compression via une conduite 9 de retour en vue de recommencer un cycle de travail. Lors de ce retour, l'hélium relativement froid cède des frigories aux échangeurs 5 de chaleur et de cette façon assure le refroidissement de l'hélium relativement chaud qui circule en sens inverse dans la boîte 2 froide avant d'atteindre l'utilisateur 10. Comme illustré, le circuit de travail peut comporter une conduite 19 de renvoi renvoyant vers la station 1 de compression de l'hélium de la boîte froide 2 n'ayant pas transité dans le système 14 d'échange thermique.
Comme visible à la figure 2, le dispositif comprend un système de pré- refroidissement comprenant une capacité 3 de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide à une température de 80K par exemple. La boîte 2 froide comprend un premier étage de refroidissement de l'hélium qui reçoit l'hélium dès sa sortie de la station 1 de compression.
Ce premier étage de refroidissement comporte un premier 5 échangeur de chaleur, un second 15 échangeur de chaleur ainsi qu'un troisième 25 échangeur de chaleur. Le premier 5 échangeur de chaleur est de préférence du type en aluminium à plaque et ailettes brasées. Un tel échangeur est par exemple conforme aux 20 recommandations de l'ALPEMA (Association des Fabricants d'Echangeurs à Plaques et Ondes en Aluminium brasées). Le premier 5 échangeur de chaleur est par exemple du type à échange de chaleur entre des flux différents d'hélium à des températures respectives différentes. Le premier 5 échangeur peut comporter un premier passage alimentée 25 6 en gaz de travail dit chaud et à haute pression sortant directement de la station 1 de compression, un second passage à contre-courant du premier passage et alimenté par la conduite 9 de retour en gaz de travail dit froid et à basse pression et un troisième passage à contre-courant du premier passage et alimenté en gaz de travail dit à moyenne pression via une conduite 19 de renvoi. Comme décrit ci- 30 après, le premier échangeur 5 comporte en outre une section de passage pour du fluide auxiliaire. Les second 15 et troisième 25 échangeurs de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail en aval du premier 5 échangeur de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail refroidi dans le premier 5 échangeur de chaleur pet être admis sélectivement dans le second 15 et/ou dans le troisième 25 échangeur de chaleur. Comme représenté plus en détail à la figure 3, le second 15 et le troisième 25 échangeurs de chaleur peuvent être raccordés à la fois en série et en parallèle au premier 5 échangeur de chaleur via un réseau de conduites 6, 16, 26, 250 et de vannes 116, 126, 326 formant une liaison en parallèle et une liaison en série entre les deux échangeurs 15, 25 de chaleur ainsi qu'une ligne 250 de by-pass (dérivation) du second 15 échangeur de chaleur.
Comme visible à la figure 1, le second échangeur 15 de chaleur est de préférence du type à tube (par exemple en inox, en cuivre ou autre alliage compatible avec les températures cryogéniques) immergé dans un bain de fluide auxiliaire de refroidissement tel que de l'azote liquide à 80K. Plus précisément, le second échangeur de chaleur 15 est immergé dans une première capacité 3 d'azote liquide. Comme décrit précédemment, la première capacité 3 peut être alimentée en fluide auxiliaire via une conduite 113 d'amenée reliée à une source de fluide auxiliaire (non représentée) et munie d'une vanne 23. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à cet exemple de réalisation. Ainsi, par exemple, ce second échangeur 15 de chaleur immergé peut être un échangeur de chaleur en inox ou autre métal ou alliage à plaque soudées, c'est-à- dire un échangeur dont la technologie est connue en anglais sous la dénomination « Plate and Shell ». Ces types d'échangeurs de chaleur constituant le second échangeur 15 de chaleur sont conformés pour supporter sans inconvénient des écarts de températures relativement importants entre les différentes configurations d'utilisation (immergée/non immergée), par exemple des écarts de températures compris entre 60K et 250K. Le dispositif comporte une première conduite 30 d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la première 3 capacité à un système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le premier 5 échangeur de chaleur. Cette première conduite 30 d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé comprend également une branche 130 de dérivation (by-pass) sélectif du premier 5 échangeur de chaleur via un système de vannes 230, 430.
Le troisième échangeur 25 de chaleur est de préférence un échangeur en aluminium du type à plaque et ailettes. Le troisième échangeur 25 est du type à échange de chaleur sélectif entre l'hélium et l'azote. A cet effet, et comme visible à la figure 2, le dispositif peut comporter une conduite 13 d'alimentation munie d'au moins une vanne (non représentée) reliant (par exemple en boucle) la première capacité 3 au troisième échangeur 25 de chaleur, pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail dans le troisième 25 échangeur de chaleur. La figure 3 illustre une variante de réalisation du premier étage de refroidissement du dispositif. La forme de réalisation de la figure 3 se distingue de celle de la figure 2 uniquement en ce que le troisième échangeur de chaleur 25 est cette fois immergé dans une seconde capacité 33 de fluide auxiliaire (au lieu d'être alimenté en fluide auxiliaire à partir de la première capacité 3 ou à partir d'une source). Comme illustré à la figure 3, cette seconde capacité 33 de fluide peut être un réservoir cryogénique sélectivement alimenté en fluide auxiliaire par une source de fluide auxiliaire. Le troisième échangeur 25 de chaleur est immergé dans ladite seconde capacité 33 pour permettre le cas échéant un échange de frigories entre le gaz de travail et le fluide auxiliaire de la seconde capacité 33. La seconde capacité 33 auxiliaire comporte également une seconde conduite 330 d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la seconde 30 capacité à un système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le premier 5 échangeur de chaleur. Par exemple, la seconde conduite 330 d'évacuation se raccorde à la première conduite 30 d'évacuation de fluide auxiliaire, en amont du premier échangeur 5.
C'est-à-dire que le fluide auxiliaire vaporisé dans la seconde capacité 33 peut être réparti entre un passage dans le premier échangeur 5 et/ou la ligne 130 de by-pass évitant ce premier 5 échangeur de chaleur. Les figures 4 à 7 illustrent respectivement quatre configurations distinctes pouvant être utilisées lors d'une succession d'un exemple de fonctionnement possible du dispositif. Dans une première phase de mise en froid d'un utilisateur 10 illustrée à la figure 4, l'hélium sortant de la station 1 de compression est refroidi par échange thermique dans le premier 5 échangeur de chaleur puis l'hélium refroidi est subdivisé en deux flux (vannes 116 et 126 ouvertes). Un premier de ces deux flux est refroidi dans le second 15 échangeur de chaleur puis passe dans le troisième 25 échangeur de chaleur sans échange thermique (vanne 233 fermée). Le deuxième flux ne passe pas dans le second 15 échangeur de chaleur et est mélangé avec le premier flux sortant du second échangeur de chaleur 15 avant de passer dans le troisième 25 échangeur de chaleur. Dans cette première phase, la première capacité 3 est alimentée en fluide auxiliaire (azote) et l'azote vaporisé est évacué par la conduite 30 d'évacuation et la branche 130 de by-pass sans céder des frigories au premier échangeur 5 de chaleur (vanne 230 ouverte dans la branche de dérivation 130 et vanne 430 fermée pour le passage dans le premier échangeur 5). Ceci peut correspondre au début d'une opération de mise en froid d'un utilisateur initialement à une température comprise entre 400K et 250K. Durant cette première phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 300K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 250K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur. Dans une second phase de mise en froid d'un utilisateur 10 illustrée à la figure 5, l'hélium sortant de la station 1 de compression peut être refroidi par échange thermique dans le premier 5 échangeur de chaleur puis dans le second 15 échangeur de chaleur (vanne 116 ouverte et vanne 126 fermée). L'hélium est ensuite scindé en deux flux dont un premier flux est refroidi dans le troisième 25 échangeur de chaleur et un second flux qui transite par la ligne 250 de by-pass (ouverture de la vanne 326 dans la ligne 250 de by-pass). La première 3 et la seconde capacité 33 sont alimentées en fluide auxiliaire via des conduites 113, 133 d'amenée respectives (vannes 213 et 233 correspondantes ouvertes). Les fluides auxiliaires vaporisés dans les capacités 3, 33 peuvent être évacuées sans passer par le premier échangeur 5 de chaleur, c'est-à-dire via la branche 130 de by-pass (vanne 430 fermée et vanne 230 ouverte).
Ceci peut correspondre à une opération de mise en froid d'un utilisateur initialement à une température comprise entre 250K et 150K. Durant cette seconde phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 145K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 120K à la sortie du deuxième 15 échangeur de chaleur. - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur, - environ égale à 120K dans la branche 130 de by-pass et - environ égale à 95K après la jonction aval de la branche 130 de by- pass. Dans une troisième phase de mise en froid d'un utilisateur 10 illustrée à la figure 6, le gaz de travail sortant de la station 1 de compression peut être refroidi en série par échange thermique dans le premier 5 échangeur de chaleur puis dans le second 15 échangeur de chaleur puis dans le troisième 25 échangeur de chaleur (vanne 116 ouverte, vanne 126 fermée). Le fluide auxiliaire vaporisé dans les première 3 et seconde 33 capacités peut être évacué pour partie via le premier 5 échangeur de chaleur et pour partie via la branche 130 de by-pass (vanne 230 et 430 ouvertes). Ceci peut correspondre à une opération de mise en froid d'un utilisateur initialement à une température comprise entre 150K et 95K. Durant cette seconde phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 130K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 100K à la sortie du deuxième 15 échangeur de chaleur. - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur.
Dans une quatrième phase de mise en froid d'un utilisateur 10 illustrée à la figure 7, le gaz de travail sortant de la station 1 de compression peut être refroidi en série par échange thermique dans le premier 5 échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur 25 de chaleur (sans passer par le second échangeur 15 de chaleur : vanne 116 fermée et vanne 126 ouverte). Seule la seconde capacité 33 peut être alimentée en fluide auxiliaire (vanne 213 fermée et vanne 233 ouverte). Le fluide auxiliaire vaporisé dans la seconde 33 capacité peut être évacué pour partie via le premier 5 échangeur de chaleur et pour partie via la branche 130 de by-pass (vanne 230 et 430 ouvertes). Ceci peut correspondre à une opération de mise en froid d'un utilisateur 30 initialement à une température comprise entre 95K et 80K. Durant cette seconde phase, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 95K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur.
Enfin, lorsque l'utilisateur 10 a atteint la température basse déterminée de fonctionnement dit normal, le dispositif peut assurer un refroidissement continu (maintien en froid à la température déterminée) avec le même dispositif. Durant ce refroidissement continu, le dispositif peut fonctionner également selon la configuration de la figure 7. C'est-à-dire que le gaz de travail sortant de la station 1 de compression peut être refroidi en série par échange thermique dans le premier 5 échangeur de chaleur puis dans le troisième échangeur 25 de chaleur (sans passer par le second échangeur 15 de chaleur) et seule la seconde capacité 33 peut être alimentée en fluide auxiliaire. Le fluide auxiliaire vaporisé dans la seconde 33 capacité peut être évacué via le premier 5 échangeur de chaleur (vanne 230 fermée et vanne 430 ouvertes). Durant ce mode de fonctionnement, la température de l'hélium peut être : - environ égale à 90K à la sortie du premier 5 échangeur de chaleur, - environ égale à 80K à la sortie du troisième 25 échangeur de chaleur.
Les architectures décrites ci-dessus permettent ainsi de mettre en froid un composant massif d'une température relativement chaude (par exemple 400K à une température relativement basse (par exemple 80K) avec un nombre d'équipements réduit. L'utilisation de deux échangeurs de type en aluminium à plaque et ailettes (premier 5 et troisième 25 échangeur de chaleur) et d'un échangeur de chaleur du type à tube (second échangeur 15) permet d'optimiser le fonctionnement du dispositif pour les phases de fonctionnement différentes que sont le pré-refroidissement et le fonctionnement dit normal (après pré-refroidissement). Ces configurations permettent notamment de disposer le second échangeur 25 de chaleur 15 en dehors de la boîte froide 2 et donc également la première capacité 3. Un autre avantage procuré par le dispositif est de limiter les entrées de chaleur sur le gaz de travail en opération normal par isolation des circuits et équipements utilisés uniquement pour la mise en froid. Ces équipements peuvent 30 être installés en dehors de la boite froide et cela réduit également la taille et le coût de l'enceinte de la boite froide.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction d'un gaz de travail comprenant de l'hélium ou constitué d'hélium pur, le dispositif comprenant un circuit de travail en boucle pour le gaz de travail comportant, en série : - une station (1) de compression du gaz de travail munie d'au moins un compresseur (11, 12), - une boîte froide (2) pour refroidir le gaz de travail comprenant une pluralité d'échangeurs (5) de chaleur disposés en série et au moins un organe (7) de détente du gaz de travail, - un système (14) d'échange thermique entre le gaz de travail refroidi et un utilisateur (10), - au moins une conduite de retour (9) dans la station de compression (1) pour le gaz de travail ayant transité dans le système (14) d'échange thermique, la conduite (9) de retour comprenant au moins un échangeur (5) de réchauffage du gaz de travail, le dispositif comprenant en outre un système de pré-refroidissement additionnel du gaz de travail en sortie de la station (2) de compression, le système de pré-refroidissement comprenant au moins une capacité (3) de fluide cryogénique auxiliaire tel que de l'azote liquide, la capacité (3) étant reliée au circuit de travail via au moins un échangeur de chaleur pour transférer sélectivement des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail, la boîte froide (2) comprenant un premier étage de refroidissement du gaz de travail comportant un premier (5) échangeur disposé à la sortie de la station (1) de compression ainsi qu'un second (15) échangeur de chaleur et un troisième (25) échangeur de chaleur, le premier (5) échangeur de chaleur étant du type en aluminium à plaque et ailettes, le second échangeur (15) de chaleur étant du type à tube(s) ou du type à plaques soudées, ce second échangeur (15) de chaleur étant immergé dans un bain de fluide auxiliaire de refroidissement caractérisé en ce que les second (15) et troisième (25) échangeurs de chaleur sont raccordés à la fois en série et en parallèle sur le circuit de travail en aval du premier (5) échangeur de chaleur, c'est-à-dire que le gaz de travail refroidi dans le premier (5)échangeur de chaleur peut être admis sélectivement dans le second (15) et/ou dans le troisième (25) échangeur de chaleur, et en ce que le second (15) échangeur de chaleur est immergé dans une première capacité (3) de gaz auxiliaire liquéfié.
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second échangeur (15) de chaleur est l'un parmi : un échangeur de chaleur de type à tubes en inox ou aluminium, un échangeur de chaleur de type à tube à ailettes en inox ou aluminium, un échangeur à plaques soudées en inox.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le 10 circuit comprend une branche (250) de by-pass sélectif du troisième (25) échangeur de chaleur permettant sélectivement au gaz de travail issu du premier (5) et/ou du second (15) échangeur de chaleur d'éviter le troisième (25) échangeur de chaleur dans le circuit de travail.
  4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 15 caractérisé en ce qu'il comporte une première conduite (30) d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la première (3) capacité à un système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le premier (5) échangeur de chaleur.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la 20 première conduite (30) d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé comprend une branche (130) de by-pass sélectif du premier (5) échangeur de chaleur.
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le troisième échangeur (25) est du type à échange de chaleur sélectif entre le gaz de travail et le fluide auxiliaire, le dispositif 25 comprenant une conduite (13) d'alimentation sélectif reliant la première capacité (3) au troisième échangeur de chaleur, pour transférer des frigories du fluide auxiliaire vers le gaz de travail dans le troisième (25) échangeur de chaleur.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, 30 caractérisé en ce qu'il comporte une seconde capacité (33) de fluide sélectivement alimentée en fluide auxiliaire par une source de fluide auxiliaire et en ce que le troisième échangeur (25) de chaleur est immergé dans laditeseconde capacité (33) pour permettre un échange de frigories entre le gaz de travail et le fluide auxiliaire de la seconde capacité (33).
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une seconde conduite (330) d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé reliant une extrémité supérieure de la seconde (30) capacité à un système de récupération de fluide auxiliaire déporté via un passage dans le premier (5) échangeur de chaleur.
  9. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la seconde conduite (330) d'évacuation de fluide auxiliaire vaporisé comprend une branche (130) de by-pass sélectif du premier (5) échangeur de chaleur.
  10. 10. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 250K et 400K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis est subdivisé en deux flux dont un premier flux est refroidi dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et un deuxième flux est refroidi directement dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité (3) est évacué sans céder des frigories au premier (5) échangeur de chaleur.
  11. 11. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 250K et 150K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis est scindé en deux flux dont un premier flux est refroidi dans le troisième (25) échangeur de chaleur et un second flux by-évite le troisième échangeur (25) et en ce que le troisième échangeur (25) est alimenté en fluide auxiliaire pour transférer des frigories du fluide auxiliaire au gaz de travail dans le troisième échangeur (25) et en ce le fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité (3) et/ou au contact du troisième échangeur (25) est évacué sans céder des frigories au premier (5) échangeur de chaleur.
  12. 12. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 150K et 95K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis dans le second (15) échangeur de chaleur puis dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce qu'au moins une partie du fluide auxiliaire vaporisé dans la première capacité (3) et/ou au contact du troisième échangeur (25) est évacué en cédant des frigories au premier (5) échangeur de chaleur.
  13. 13. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, l'utilisateur (10) est refroidi via le système (14) d'échange thermique, caractérisé en ce que le procédé comporte une étape de pré-refroidissement de l'utilisateur (10) ayant une température initiale comprise entre 95K et 80K dans laquelle le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis uniquement dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le fluide auxiliaire vaporisé au contact du troisième échangeur (25) est évacué en cédant des frigories au premier (5) échangeur de chaleur.
  14. 14. Procédé de refroidissement d'un utilisateur (10) utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un gaz de travail conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel, après une phase de pré-refroidissement éventuel, le dispositif refroidit l'utilisateur selon unfonctionnement dit nominal dans lequel le gaz de travail sortant de la station (1) de compression est refroidi par échange thermique dans le premier (5) échangeur de chaleur puis uniquement dans le troisième (25) échangeur de chaleur et en ce que le troisième échangeur (25) est alimenté en fluide auxiliaire pour transférer des frigories du fluide auxiliaire au gaz de travail dans le troisième échangeur (25) et en ce le fluide auxiliaire vaporisé au contact du troisième échangeur (25) est évacué en cédant des frigories au premier (5) échangeur de chaleur.
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