FR3099815A1 - Dispositif et installation de réfrigération - Google Patents

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Abstract

Dispositif de réfrigération à basse température disposé dans un cadre (100) et comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression, un mécanisme (4, 5, 6) de refroidissement, un mécanisme (7) de détente et un mécanisme (6, 8) de réchauffement, le dispositif (1) comprenant un échangeur (8) de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe (125) par échange de chaleur avec le fluide de travail, les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprenant un échangeur (6) de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit (10) de travail, le mécanisme de compression comprenant au moins deux compresseurs (2, 3) et au moins un moteur (14, 15) d’entraînement des compresseur (2, 3), le mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins un turbine (7) rotative, le dispositif comprenant au moins un moteur (14, 15) d’entraînement comprenant un arbre d’entraînement dont une extrémité entraîne un compresseur (2) et dont une autre extrémité est accouplée à une turbine (7), ledit moteur (14) étant fixé au cadre (100) au niveau d’au moins un point (104) fixe, l’échangeur (6) de chaleur commun étant fixé au cadre (100) au niveau d’au moins un point (106) fixe, les deux portions de transit à contre-courant de l’échangeur (6) de chaleur commun étant orientées selon une direction (A) longitudinale du cadre (100), l’arbre d’entraînement dudit moteur (14, 15) d’entraînement étant orienté selon une direction parallèle ou sensiblement parallèle à la direction (A) longitudinale et la turbine (7) et le compresseur (2) sont agencés relativement longitudinalement de sorte que la turbine (7) est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement froide de échangeur (6) de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement et le compresseur (2) est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement chaude de échangeur (6) de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Dispositif et installation de réfrigération
L’invention concerne un dispositif et une installation de réfrigération.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif étant disposé dans un cadre et comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le dispositif comprenant un échangeur de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail, les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprenant un échangeur de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé, le mécanisme de compression comprenant au moins deux compresseurs et au moins un moteur d’entraînement des compresseur, le mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins un turbine rotative, le dispositif comprenant au moins un moteur d’entraînement comprenant un arbre d’entraînement dont une extrémité entraîne au moins un compresseur et dont une autre extrémité est accouplée à une turbine, ledit moteur étant fixé au cadre au niveau d’au moins un point fixe, l’échangeur de chaleur commun étant fixé au cadre au niveau d’au moins un point fixe, les deux portions de transit à contre-courant de l’échangeur de chaleur commun étant orientées selon une direction longitudinale du cadre.
Par dispositif de réfrigération à basse température on désigne des dispositifs de réfrigération à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade notamment entre moins 100 degrés centigrade et moins 253 degrés centigrade.
L'invention concerne en particulier les réfrigérateurs et/ou liquéfacteurs cryogéniques, par exemple du type à cycle « Turbo Brayton » ou « refroidisseurs Turbo Brayton » dans lequel un gaz de travail, encore appelé gaz de cycle (hélium, azote, hydrogène ou autre gaz pur ou mélange), subit un cycle thermodynamique produisant du froid qui peut être transféré à une organe ou un gaz devant être refroidi.
Ces dispositifs sont utilisés dans une grande variété d’application et notamment pour refroidir du gaz naturel d’un réservoir (par exemple dans des bateaux). Le gaz naturel liquéfié est par exemple sous-refroidi pour éviter sa vaporisation ou la partie gazeuse est refroidie en vue de sa reliquéfaction.
Par exemple, un flux de gaz naturel peut être mis en circulation dans un échangeur de chaleur refroidi par le gaz de cycle du réfrigérateur/liquéfacteur.
Ces dispositifs peuvent comprendre plusieurs échangeurs de chaleurs interposés à la sortie des étages de compression. Ces dispositifs sont intégrés dans un cadre ou bâtis dont le volume est limité. L’intégration de ces divers échangeurs et des tuyauteries associées sont ainsi rendus difficiles. Le refroidissement du gaz de travail peut dans certains cas être problématique.
De plus, les divers composants du dispositif peuvent être soumis à des variations de températures importantes entre la température ambiante et les températures cryogéniques (notamment jusqu’à 25K). Ainsi, ces variations de températures sont susceptibles de provoquer des variations de dimensions qui peuvent nuire à la tenue du dispositif.
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’arbre d’entraînement dudit moteur d’entraînement est orienté selon une direction parallèle ou sensiblement parallèle à la direction longitudinale, la turbine et le compresseur étant agencés relativement longitudinalement de sorte que la turbine est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement froide de échangeur de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement et le compresseur est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement chaude de échangeur de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la liaison de l’échangeur de chaleur commun au point fixe du cadre est située à une position longitudinale de l’échangeur de chaleur située entre ses extrémités relativement chaude et froide lorsque le dispositif est en fonctionnement, et notamment au niveau de la portion de l’échangeur de chaleur séparant l’extrémité froide de l’échangeur de chaleur susceptible de se contracter et l’extrémité chaude de l’échangeur de chaleur susceptible de se dilater,
  • lorsque le dispositif est en fonctionnement, la température de l’échangeur de chaleur commun varie longitudinalement entre une extrémité froide et une extrémité chaude, l’extrémité froide, notamment à une température de l’ordre de 100K, recevant le fluide de travail relativement froid provenant dans le mécanisme de détente en vue de son réchauffage et évacuant le fluide de travail refroidi avant son entrée dans la mécanisme de détente, l’extrémité chaude, notamment à une température de l’ordre de 300K, recevant le fluide de travail chaud provenant du mécanisme de compression et évacuant le fluide de travail réchauffé avant son entrée dans le mécanisme de compression, la liaison de l’échangeur de chaleur commun au point fixe du cadre étant située à une position longitudinale intermédiaire de l’échangeur de chaleur entre ses extrémités froide et chaude, notamment au niveau d’une zone à une température de fonctionnement comprise entre 200 et 270K notamment 250K,
  • les points fixes de fixation respectivement du moteur et de l’échangeur de chaleur commun sur le cadre sont espacés selon la direction (A) longitudinale d’une distance inférieure à 100cm, notamment inférieure à 50cm et de préférence sont situés au même niveau selon la direction longitudinale du cadre,
  • le mécanisme de refroidissement du fluide de travail comprend deux échangeurs de chaleur de refroidissement disposés respectivement à la sortie des deux compresseurs et assurant un échange de chaleur entre le fluide de travail et un fluide de refroidissement, le cadre comprenant une base inférieure destiné à être fixée sur un support, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement étant situé dans le cadre à côté de l’échangeur de chaleur commun selon une direction transversale à l’axe longitudinal, c’est-à-dire que les échangeurs de chaleur de refroidissement ne sont pas situés entre l’échangeur de chaleur commun et la base inférieure du cadre,
  • les deux échangeurs de chaleur de refroidissement ont chacun une forme oblongue s’étendant selon des directions longitudinales respectives qui sont parallèles à l’axe longitudinal,
  • les deux échangeurs de chaleur de refroidissement sont disposé l’un au-dessus de l’autre selon une direction perpendiculaire,
  • chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprend une entrée de gaz de travail à refroidir et une sortie de gaz de travail refroidi disposées respectivement au niveau de deux extrémités longitudinales, chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprenant une entrée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement étant agencés de façon inversée, c’est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeur de chaleur de refroidissement sont parallèles ou sensiblement parallèles et les sens de circulation du fluide de travail dans lesdits échangeur de chaleur de refroidissement sont opposés,
  • la sortie de fluide de refroidissement de l’un des deux échangeurs de chaleur de refroidissement est raccordée à l’entrée de fluide de refroidissement de l’autre échangeur de chaleur de refroidissement de sorte que du flux de fluide de refroidissement transitant dans l’un des échangeurs de chaleur de refroidissement a déjà circulé dans l’autre échangeur de chaleur de refroidissement,
  • les deux échangeurs de chaleur de refroidissement sont situés de façon adjacente c’est-à-dire espacés d’une distance comprise entre 50 et 500mm notamment entre 10 et 300mm.
L’invention concerne également une installation de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, comprenant un dispositif de réfrigération selon l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, l’installation comprenant au moins un réservoir de fluide utilisateur, une conduite de circulation dudit flux de fluide utilisateur dans l’échangeur de refroidissement.
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 :
représente une vue schématique et partielle de dessus illustrant la structure et le fonctionnement d’un exemple de dispositif et d’installation pouvant mettre en œuvre l’invention,
représente une vue schématique et partielle de côté selon la flèche V de la figure 1 illustrant des détails de la structure et du fonctionnement du dispositif et de l’installation,
représente une vue schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif et de l’installation selon une variante possible de réalisation de l’agence de deux échangeurs de chaleur de refroidissement.
L’installation de refroidissement et/ou de liquéfaction de la et de la [Fig. 2] comprend un dispositif 1 de réfrigération fournissant du froid (une puissance de refroidissement) au niveau d’un l’échangeur 8 de chaleur de réfrigération.
L’installation comprend une conduite 125 de circulation d’un flux de fluide à refroidir mis en échange thermique avec cet échangeur 8 de refroidissement. Par exemple, le fluide est du gaz naturel liquide pompé dans un réservoir 16 (par exemple via une pompe), puis est refroidi (de préférence hors du réservoir 16) puis renvoyé dans le réservoir 16 (par exemple en pluie dans la phase gazeuse du réservoir 16). Ceci permet de refroidir ou sous-refroidir le contenu du réservoir 16 et de limiter les phénomènes de vaporisation. Par exemple, le liquide du réservoir 16 est sous refroidi en-dessous de sa température de saturation (baisse de sa température de plusieurs degrés K notamment 5 à 20K et notamment 14K) avant d’être réinjecté dans le réservoir 16. En variante cette réfrigération peut être apportée au gaz de vaporisation du réservoir en vue notamment de sa reliquéfaction. C’est-à-dire que le dispositif 1 de réfrigération produit une puissance froide au niveau de l’échangeur 8 de chaleur de réfrigération.
Le dispositif 1 de réfrigération comprend un circuit de travail 10 (de préférence fermé) formant une boucle de circulation. Ce circuit 10 de travail contient un fluide de travail (hélium, azote, néon, hydrogène ou autre gaz ou mélange approprié par exemple hélium et argon ou hélium et azote ou hélium et néon ou hélium et argon et azote ou hélium et azote et argon ou hélium et néon et argon ou hélium et azote et argon et néon….).
Le circuit 10 de travail forme un cycle comprenant: un mécanisme 2, 3 de compression du fluide de travail, un mécanisme 4, 5, 6 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 7 de détente du fluide de travail et un mécanisme 6 de réchauffement du fluide de travail.
Le dispositif 1 comprend un échangeur 8 de chaleur de réfrigération situé en aval du mécanisme 7 de détente et destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe 25 par échange de chaleur avec le fluide de travail froid circulant dans le circuit 10 de travail.
Les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprennent classiquement un échangeur 6 de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit 10 de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé dans le cycle.
L’échangeur 8 de chaleur de refroidissement est situé par exemple entre le mécanisme 7 de détente et l’échangeur 6 de chaleur commun. Comme illustré, cet échangeur 8 de chaleur de chaleur de réfrigération peut être intégré à l’échangeur 6 de chaleur commun (c’est-à-dire que les deux échangeurs 6, 8 peuvent être monoblocs, c’est-à-dire peuvent avoir des circuits de fluides distincts qui partagent une même structure d’échange). Bien entendu, en variante l’échangeur 8 de chaleur de refroidissement peut être un échangeur de chaleur distinct de l’échangeur 6 de chaleur commun.
Ainsi, le fluide de travail qui sort relativement chaud du mécanisme 2, 3 de compression est refroidi dans l’échangeur 6 de chaleur commun avant d’entrer dans le mécanisme de détente 7. Le fluide de travail qui sort relativement froid du mécanisme 7 de détente et de l’échangeur de chaleur 8 de refroidissement est quant à lui réchauffé dans l’échangeur 6 de chaleur commun avant de retourner dans le mécanisme de compression 2 3 en vue de recommencer un nouveau cycle.
Le mécanisme 2, 3 de compression peut comprendre au moins deux compresseurs et au moins un moteur 14, 15 d’entraînement des compresseurs 2, 3. De plus, de préférence la puissance de réfrigération du dispositif est variable et peut être contrôlée en régulant la vitesse de rotation du ou des moteurs 14, 15 d’entraînement (vitesse de cycle). De préférence la puissance froide produite par le dispositif 1 peut être adaptée de 0 à 100% d’une puissance nominale ou maximale en changeant la vitesse de rotation du ou des moteurs 14, 15 entre une vitesse de rotation nulle et une vitesse maximale ou nominale. Une telle architecture permet de maintenir un rendement élevé sur une large plage de fonctionnement (par exemple 97% de rendement nominal à 50% de la puissance froide nominale).
Dans l’exemple non limitatif représenté, le dispositif 1 de réfrigération comprend deux compresseurs 2, 3 en série. Ces deux compresseurs 2, 3 peuvent être entraînés respectivement par deux moteurs 14, 15 distincts. Une turbine 7 est accouplée à l’arbre d’entraînement d’un 14 des deux moteurs. Par exemple un premier moteur 14 entraîne un compresseur 2 et est accouplé à une turbine 7 (moto-turbocompresseur) tandis que l’autre moteur 15 entraîne uniquement un compresseur 3 (moto-compresseur). L’ordre de ces deux moto-turbocompresseur et moto-compresseur peuvent être inversé dans le circuit de travail 10 (c’est-à-dire que le premier compresseur en série peut être entraîné par un moteur dont l’arbre n’est pas accouplé à une turbine tandis que second compresseur en série est entraîné par un moteur dont l’arbre accouplé également à une turbine).
Par exemple, le dispositif 1 comprend deux moteurs 14, 15 à haute vitesse (par exemple 10000 tours par minute ou plusieurs dizaines de milliers de tours par minute) d'entrainement respectifs des étages de compression 2, 3. La turbine 7 peut être accouplée au moteur 15 de l'un des étages de compression 2, 3, c'est-à-dire que le dispositif peut posséder une turbine 7 constituant le mécanisme de détente qui est accouplée au moteur 15 d'entraînement d’un étage de compression (le premier ou le second).
Ainsi, la puissance de la ou des turbines 7 peut être avantageusement récupérée et utilisée pour réduire la consommation du ou des moteurs. Ainsi, en augmentant la vitesse des moteurs (et donc le débit dans le cycle du gaz de travail), on augmente la puissance de réfrigération produite et donc la consommation électrique du liquéfacteur (et inversement). Les compresseurs 2, 3 et turbine(s) 7 sont de préférence accouplés de façon directe à un arbre de sortie du moteur concerné (sans mécanisme de transmission de mouvement à engrenages).
Les arbres de sortie des moteurs sont de préférence montés sur des paliers de type magnétique ou de type dynamique à gaz. Les paliers sont utilisés pour sustenter les compresseurs et les turbines.
Dans l’exemple représenté, le dispositif 1 de réfrigération comprend deux compresseurs 2, 3 formant deux étages de compression et une turbine 7 de détente. C’est-à-dire que le mécanisme de compression comprend deux compresseurs 2, 3 en série, de préférence du type centrifuge et le mécanisme de détente comprend une unique turbine 7, de préférence centripète. Bien entendu, tout autre nombre et arrangement de compresseur(s), turbine(s) et moteur(s) peut être envisagé, par exemple : trois compresseurs entraînés respectivement par trois moteurs distincts, la turbine étant par exemple accouplée à une extrémité de l’arbre d’entraînement d’un de ces moteurs ou trois compresseurs et deux turbines … D’autres architectures peuvent être envisagées, notamment trois compresseurs et une turbine ou trois compresseurs ou deux ou trois turbines ou deux compresseur set deux turbines…Chaque moteur peut comporter un arbre rotatif d’entraînement dont une extrémité entraîne un compresseur et éventuellement une autre roue) et dont l’autre extrémité est libre (pas de roue montée sur l’extrémité) ou entraîne éventuellement au moins une autre roue (compresseur ou turbine).
Comme illustré, un échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement peut être prévu à la sortie de chacun des deux compresseurs 2, 3 (par exemple un refroidissement par échange de chaleur avec de l’eau à température ambiante ou tout autre fluide ou agent de refroidissement d’un circuit 26 de réfrigérant). Cf. .
Ceci permet de réaliser une compression isentropique ou isotherme ou sensiblement isotherme. De même, un échangeur de réchauffage peut être prévu ou non en sortie de tout ou partie des turbines 7 de détente pour réaliser une détente isentropique ou isotherme. De préférence également, les réchauffage et refroidissement du fluide de travail sont de préférence isobares sans que ceci soit limitatif.
Le dispositif est logé dans un cadre 100, par exemple parallélépipédique. Le cadre 100 comprend une base 101 inférieure. Contrairement à la représentation de la figure 2, l’extrémité supérieure du cadre ne comporte pas forcément de structure au-dessus du dispositif mais pourrait comporter uniquement des montants périphériques qui sont situés au verticalement au-dessus de la base 101 au niveau ou sous le point le plus haut du dispositif. C’est-à-dire que le cadres peut former une protection latérale tout autour du dispositif mais laissant la partie supérieure non recouverte.
Le moteur 14 muni d’un compresseur 2 et d’une turbine est fixé au cadre 100 au niveau d’un point 104 fixe. Par exemple le cadre 100 comprend un bâtis ou structure parallélépipédique formée de poutres ou montants rigides. Par exemple ce moteur 14 est fixé à un montant longitudinal périphérique, par exemple par vissage et/ou rivetage et/ou soudage.
De même, l’échangeur 6 de chaleur commun est fixé au cadre 100 au niveau d’un point 106 fixe. Par exemple cet échangeur 6 de chaleur est fixé à un montant longitudinal central par exemple par vissage et/ou rivetage et/ou soudage
Les deux portions de transit à contre-courant de l’échangeur 6 de chaleur commun sont orientées selon une direction A longitudinale du cadre 100. C’est-à-dire que l’échangeur 6 de chaleur commun est orienté selon une direction longitudinale A et les flux de gaz de travail en son sein progressant essentiellement parallèlement selon cette direction.
Comme visible à la , l’arbre d’entraînement du moteur 14, 15 muni d’un compresseur 2 et d’une turbine 7 est également orienté selon une direction parallèle ou sensiblement parallèle à cette direction A longitudinale.
De plus, la turbine 7 et le compresseur 2 sont agencés relativement longitudinalement de sorte que la turbine 7 est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement froide de l’échangeur 6 de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement (à droite sur la ) et le compresseur (2) est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement chaude de échangeur 6 de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement (à gauche sur la [Fig. 1]).
Ceci permet :
de disposer d’un même côté du dispositif (ici longitudinal et à droite sur la ) les éléments (portion d’échanger, 6, turbien7 et tuyauterie associée) susceptibles de subir des rétractations dimensionnelles en passant de l’état chaud à l’état froid de fonctionnement,
de disposer d’un même côté du dispositif (ici longitudinal et à gauche sur la ) les éléments (portion d’échanger, 6, compresseur 2 et tuyauterie associée) susceptibles de subir des rétractations dimensionnelles en passant de l’état chaud de fonctionnement.
Ces éléments situés de part et d’autre du point fixe 104 106 de fixation peuvent ainsi être libre de se rétracter/dilater sans contrainte.
Les éléments « froids » (turbine 7, extrémité froide de l’échangeur et tuyauteries associées) sont libres de se contracter dans le même sens tandis (vers la gauche sur ). Les éléments « chaud » (compresseur 2, extrémité chaude de l’échangeur 6 de chaleur et tuyauteries associées) sont libres de se dilater dans le même sens (également vers la gauche sur [Fig. 1]). Ceci permet d’éviter ou de limiter des efforts parasites sur le dispositif qui absorbe mieux les variations dimensionnelles dues au changements de température en son sein.
En effet, classiquement lorsque le dispositif est en fonctionnement (notamment en fonctionnement nominal), la température de l’échangeur 6 de chaleur s’équilibre selon un gradient longitudinal entre une extrémité froide et une extrémité chaude. L’extrémité froide, par exemple à une température de l’ordre de 100K, est l’extrémité de l’échangeur 6 de chaleur recevant le fluide de travail relativement froid provenant dans le mécanisme 7 de détente en vue de son réchauffage et évacuant dans l’autre sens le fluide de travail refroidi avant son entrée dans la mécanisme 7 de détente. L’extrémité chaude, par exemple à une température de l’ordre de 300K, est l’extrémité de l’échangeur 6 de chaleur commun qui reçoit le fluide de travail chaud provenant du mécanisme de compression et qui évacue dans l’autre sens le fluide de travail réchauffé avant son entrée dans le mécanisme de compression.
Selon une particularité avantageuse, la liaison de l’échangeur 6 de chaleur commun au point fixe 106 du cadre 100 est située à une position longitudinale intermédiaire de l’échangeur 6 de chaleur entre ses extrémités froide et chaude, notamment au niveau d’une zone à une température de fonctionnement comprise entre 200 et 270K notamment 250K.
De préférence, la liaison de l’échangeur 6 de chaleur commun au point fixe du cadre 100 est située à une position longitudinale de l’échangeur 6 de chaleur située entre ses extrémités relativement chaude et froide lorsque le dispositif est en fonctionnement, et notamment au niveau de la portion de l’échangeur 6 de chaleur séparant l’extrémité froide de l’échangeur 6 de chaleur susceptible de se contracter (contraction différentielle due à refroidissement à des températures basses) et l’extrémité chaude de l’échangeur 6 de chaleur susceptible de se dilater (dilatation différentielle due à un réchauffage relatif à des températures plus élevées).
Ceci permet aux parties froides de l’échangeur 6 de chaleur commun et des tuyauteries froide associées de se rétracter librement (vers la gauche dans l’exemple de la ) et aux parties chaudes de se dilater librement (vers la gauche dans l’exemple de la [Fig. 1]).
Ceci diminue les contraintes mécaniques néfastes au sein du dispositif.
De préférence, les points fixes 104, 106 de fixation respectivement du moteur 14 et de l’échangeur 6 de chaleur commun sur le cadre 100 sont situé au même niveau longitudinal sur le cadre ou espacés selon cette direction A longitudinale d’une distance inférieure à 100cm, notamment inférieure à 50cm.
En agençant ainsi les points fixes on positionne relativement d’une part les éléments froids susceptibles de se contracter et, d’autre part les éléments relativement chauds susceptibles de se dilater de façon à permettre des débattements de même nature sans induire ou en limitant des efforts opposés antagonistes contradictoires.
Le cadre 100 comprend une base 101 inférieure destiné à être fixée sur un support (par exemple le sol ou un plancher de bateau ou le somment d’un réservoir 16 de liquide à refroidir par exemple). Cette base peut être formée de montants rigide délimitant un rectangle muni de montant longitudinaux ou transversaux.
Comme illustré au moins une partie des éléments du dispositif peuvent être fixés sur cette base 101, notamment un caisson abritant l’échangeur 6 de chaleur commun et l’échangeur 8 de réfrigération.
Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent être disposés dans le cadre 100 à côté de l’échangeur 6 de chaleur commun selon une direction transversale à l’axe A longitudinal. C’est-à-dire que les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement ne sont pas situés entre l’échangeur 6 de chaleur commun et la base 101 inférieure du cadre 100. Les inventeurs ont constaté que cet agencement assure une répartition des masses améliorant la tenue du dispositif aux efforts notamment lorsque le dispositif est monté sur un bateau.
Comme illustré, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent chacun avoir une forme oblongue s’étendant selon des directions longitudinales respectives qui sont parallèles à l’axe longitudinal A. Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent être disposé l’un au-dessus de l’autre selon une direction perpendiculaire.
Chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement comprend une entrée 24, 25 de fluide de refroidissement et une sortie 34, 35 de fluide de refroidissement. Selon une particularité avantageuse, la sortie 34 de fluide de refroidissement de l’un des deux échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement peut être raccordée à l’entrée 25 de fluide de refroidissement de l’autre échangeur 5 de chaleur de refroidissement de sorte que du flux de fluide de refroidissement transitant dans l’un 5 des échangeurs de chaleur de refroidissement a déjà circulé dans l’autre échangeur de chaleur 4 de refroidissement (cf. ).
Ceci permet aux deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement de recevoir 100% d’un flux de fluide de refroidissement (au lieu de subdiviser ce flux en deux moitiés réparties respectivement dans les deux échangeurs 4, 5).
Cette augmentation relative du débit de fluide de refroidissement permet ainsi d’augmenter le coefficient d’échange thermique et donc améliore la qualité et la fiabilité du refroidissement. De plus, cette solution permet d’éviter des problèmes inhérents à la solution connue dans laquelle deux débits peuvent diverger au sein des deux échangeurs de chaleur (du fait notamment des pertes de charges qui peuvent varier d’un circuit ou échangeur à l’autre).
Comme explicité plus en détail ci-après, cette arrangement permet en outre de simplifier le réseau de conduites de fluide de refroidissement et de gaz de travail à destination des échangeurs de chaleur 4, 5 ou provenant des échangeurs de chaleur 4, 5. En particulier, cet agencement permet avec plus de facilité d’agencer les circuits de circulation des fluides (refroidissement et de travail) dans un espace réduit en permettant des circulation à contre-courant entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement, ceci en réduisant le nombre et/ou la longueurs des conduites transportant ces fluides.
Comme représenté à la , par exemple le circuit 26 de réfrigérant alimente en fluide de refroidissement d’abord le second échangeur 5 de chaleur de refroidissement puis ensuite le premier échangeur 5 de chaleur de refroidissement (les qualificatif « premier » et « second » faisant référence au premier et second étage de compression dans le sens de circulation du fluide de travail).
Bien entendu, l’agencement contraire peut être envisagée (circulation du fluide de refroidissement d’abord dans le premier 4 échangeur de chaleur puis ensuite dans le second 5 échangeur de chaleur).
Comme illustré, dans les deux cas, les sens de circulation des deux fluides (fluide de travail à refroidir et fluide de refroidissement relativement plus froid) transitent de préférence à contre-courant ou sens opposés dans chaque échangeur.
Comme illustré à la , la liaison fluidique entre les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement pour faire transiter le fluide de refroidissement être simplifiée et réduite. Ce transfert peut de fluide de refroidissement d’un échangeur 4, 5 de refroidissement à l’autre peut notamment être réalisée par une portion de tube courte et soudée, voir un simple tube ou raccord entre les deux échangeurs 4, 5 de chaleur.
Comme mentionné ci-dessus, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent en particulier être disposés de façon adjacente, notamment accolés. Ceci optimise l’encombrement du dispositif.
Le cas échéant, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement pourraient même être intégrés dans un même carter ou boîtier comprenant deux passages distincts de circulation du fluide de travail, lesdits deux passages étant en échange thermiques respectivement avec deux portions en série d’un même canal de circulation du circuit de fluide de refroidissement. Par exemple, les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent avoir chacun une forme oblongue s’étendant selon une direction longitudinale respective. Chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement comprend une entrée de gaz de travail à refroidir et une sortie de gaz de travail refroidi disposées respectivement au niveau de deux extrémités longitudinales.
Les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent être des échangeurs du type à tubes, à tubes et calandre, à plaque ou tout autre technologie appropriée. Les échangeurs 4, 5 peuvent être composés d’aluminium et/ou d’acier inoxydable.
De plus, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement sont agencés au sein du dispositif de préférence de façon inversée, c’est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement sont parallèles ou sensiblement parallèles et les sens de circulation du fluide de travail dans lesdits échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement sont opposés. Cet agencement combiné à l’agencement de la circulation du fluide de refroidissement permet de minimiser la complexité des circuits fluidiques tout en conférant de très bonnes performances au dispositif.
Tout ou partie du dispositif, notamment ses organes froids peuvent être logés dans un carter 11 étanche isolé thermiquement (notamment une enceinte sous vide contenant l’échangeur de chaleur commun à contre-courant et l’échangeur 8 de réfrigération).
L’invention peut s’appliquer à un procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d’un autre fluide ou mélange, notamment de l’hydrogène.

Claims (11)

  1. Dispositif de réfrigération à basse température, c’est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, le dispositif étant disposé dans un cadre (100) et comprenant un circuit de travail (10) formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit (10) de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme (2, 3) de compression du fluide de travail, un mécanisme (4, 5, 6) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme (7) de détente du fluide de travail et un mécanisme (6, 8) de réchauffement du fluide de travail, le dispositif (1) comprenant un échangeur (8) de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe (125) par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit (10) de travail, les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprenant un échangeur (6) de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit (10) de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé, le mécanisme de compression comprenant au moins deux compresseurs (2, 3) et au moins un moteur (14, 15) d’entraînement des compresseur (2, 3), le mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins un turbine (7) rotative, le dispositif comprenant au moins un moteur (14, 15) d’entraînement comprenant un arbre d’entraînement dont une extrémité entraîne au moins un compresseur (2) et dont une autre extrémité est accouplée à une turbine (7), ledit moteur (14) étant fixé au cadre (100) au niveau d’au moins un point (104) fixe, l’échangeur (6) de chaleur commun étant fixé au cadre (100) au niveau d’au moins un point (106) fixe, les deux portions de transit à contre-courant de l’échangeur (6) de chaleur commun étant orientées selon une direction (A) longitudinale du cadre (100), caractérisé en ce que l’arbre d’entraînement dudit moteur (14, 15) d’entraînement est orienté selon une direction parallèle ou sensiblement parallèle à la direction (A) longitudinale et en ce que la turbine (7) et le compresseur (2) sont agencés relativement longitudinalement de sorte que la turbine (7) est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement froide de échangeur (6) de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement et le compresseur (2) est située longitudinalement du côté correspondant à l’extrémité relativement chaude de échangeur (6) de chaleur commun lorsque le dispositif est en fonctionnement.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison de l’échangeur (6) de chaleur commun au point fixe du cadre (100) est située à une position longitudinale de l’échangeur (6) de chaleur située entre ses extrémités relativement chaude et froide lorsque le dispositif est en fonctionnement, et notamment au niveau de la portion de l’échangeur (6) de chaleur séparant l’extrémité froide de l’échangeur (6) de chaleur susceptible de se contracter et l’extrémité chaude de l’échangeur (6) de chaleur susceptible de se dilater.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, lorsque le dispositif est en fonctionnement, la température de l’échangeur (6) de chaleur commun varie longitudinalement entre une extrémité froide et une extrémité chaude, l’extrémité froide, notamment à une température de l’ordre de 100K, recevant le fluide de travail relativement froid provenant dans le mécanisme (7) de détente en vue de son réchauffage et évacuant le fluide de travail refroidi avant son entrée dans la mécanisme (7) de détente, l’extrémité chaude, notamment à une température de l’ordre de 300K, recevant le fluide de travail chaud provenant du mécanisme de compression et évacuant le fluide de travail réchauffé avant son entrée dans le mécanisme de compression, en en ce que la liaison de l’échangeur (6) de chaleur commun au point fixe (106) du cadre (100) est située à une position longitudinale intermédiaire de l’échangeur (6) de chaleur entre ses extrémités froide et chaude, notamment au niveau d’une zone à une température de fonctionnement comprise entre 200 et 270K notamment 250K.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les points fixes (104, 106) de fixation respectivement du moteur (14) et de l’échangeur (6) de chaleur commun sur le cadre (100) sont espacés selon la direction (A) longitudinale d’une distance inférieure à 100cm, notamment inférieure à 50cm et de préférence sont situés au même niveau selon la direction longitudinale (A) du cadre.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mécanisme (4, 5, 6) de refroidissement du fluide de travail comprend deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement disposés respectivement à la sortie des deux compresseurs (2, 3) et assurant un échange de chaleur entre le fluide de travail et un fluide de refroidissement, le cadre (100) comprenant une base (101) inférieure destiné à être fixée sur un support, les deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement étant situé dans le cadre (100) à côté de l’échangeur (6) de chaleur commun selon une direction transversale à l’axe (A) longitudinal, c’est-à-dire que les échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement ne sont pas situés entre l’échangeur (6) de chaleur commun et la base (101) inférieure du cadre (100).
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement ont chacun une forme oblongue s’étendant selon des directions longitudinales respectives qui sont parallèles à l’axe longitudinal (A).
  7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement sont disposé l’un au-dessus de l’autre selon une direction perpendiculaire.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque échangeur (4, 5) de chaleur de refroidissement comprend une entrée de gaz de travail à refroidir et une sortie de gaz de travail refroidi disposées respectivement au niveau de deux extrémités longitudinales, chaque échangeur (4, 5 ) de chaleur de refroidissement comprenant une entrée (24, 25) de fluide de refroidissement et une sortie (34, 35) de fluide de refroidissement, les deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement étant agencés de façon inversée, c’est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeur (4, 5) de chaleur de refroidissement sont parallèles ou sensiblement parallèles et les sens de circulation du fluide de travail dans lesdits échangeur (4, 5) de chaleur de refroidissement sont opposés.
  9. Dispositif selon la revendications 7, caractérisé en ce que la sortie (34, 35) de fluide de refroidissement de l’un des deux échangeur (4, 5) de chaleur de refroidissement est raccordée à l’entrée (25, 24) de fluide de refroidissement de l’autre échangeur (5) de chaleur de refroidissement de sorte que du flux de fluide de refroidissement transitant dans l’un (5, 4) des échangeurs de chaleur de refroidissement a déjà circulé dans l’autre échangeur de chaleur (4, 5) de refroidissement.
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les deux échangeurs (4, 5) de chaleur de refroidissement sont situés de façon adjacente c’est-à-dire espacés d’une distance comprise entre 0 et 500mm notamment entre 10 et 300mm.
  11. Installation de réfrigération et/ou de liquéfaction d’un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, comprenant un dispositif (1) de réfrigération selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, l’installation comprenant au moins un réservoir (16) de fluide utilisateur, une conduite (125) de circulation dudit flux de fluide utilisateur dans l’échangeur (8) de refroidissement.
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