FR3133075A1 - Système de refroidissement cryogénique - Google Patents

Système de refroidissement cryogénique Download PDF

Info

Publication number
FR3133075A1
FR3133075A1 FR2201706A FR2201706A FR3133075A1 FR 3133075 A1 FR3133075 A1 FR 3133075A1 FR 2201706 A FR2201706 A FR 2201706A FR 2201706 A FR2201706 A FR 2201706A FR 3133075 A1 FR3133075 A1 FR 3133075A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
cryogenic
heat exchanger
gas
temperature
aircraft
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR2201706A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3133075B1 (fr
Inventor
Jerome Lacapere
Elias REHAYEM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Absolut System SAS
Original Assignee
Absolut System SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Absolut System SAS filed Critical Absolut System SAS
Priority to FR2201706A priority Critical patent/FR3133075B1/fr
Priority to PCT/FR2023/050267 priority patent/WO2023161594A1/fr
Publication of FR3133075A1 publication Critical patent/FR3133075A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3133075B1 publication Critical patent/FR3133075B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D13/00—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft
    • B64D13/06—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned
    • B64D13/08—Arrangements or adaptations of air-treatment apparatus for aircraft crew or passengers, or freight space, or structural parts of the aircraft the air being conditioned the air being heated or cooled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D3/00—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies
    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F25D3/105—Movable containers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0005—Light or noble gases
    • F25J1/001—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0062—Light or noble gases, mixtures thereof
    • F25J1/0065—Helium
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0259—Modularity and arrangement of parts of the liquefaction unit and in particular of the cold box, e.g. pre-fabrication, assembling and erection, dimensions, horizontal layout "plot"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0275—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines adapted for special use of the liquefaction unit, e.g. portable or transportable devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60P—VEHICLES ADAPTED FOR LOAD TRANSPORTATION OR TO TRANSPORT, TO CARRY, OR TO COMPRISE SPECIAL LOADS OR OBJECTS
    • B60P3/00—Vehicles adapted to transport, to carry or to comprise special loads or objects
    • B60P3/20—Refrigerated goods vehicles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D19/00—Arrangement or mounting of refrigeration units with respect to devices or objects to be refrigerated, e.g. infrared detectors
    • F25D19/006—Thermal coupling structure or interface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/42—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2210/00—Processes characterised by the type or other details of the feed stream
    • F25J2210/90—Boil-off gas from storage
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/908—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration
    • F25J2270/91—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by regenerative chillers, i.e. oscillating or dynamic systems, e.g. Stirling refrigerator, thermoelectric ("Peltier") or magnetic refrigeration using pulse tube refrigeration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/34—Details about subcooling of liquids

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

L’invention concerne un système de refroidissement cryogénique comprenant : au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1b, 2b) pour refroidir le gaz cryogénique comprimé, au moins un détendeur (4),un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir, deux échangeurs récupérateurs (7, 8), adaptés pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur (5), caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire (10), refroidi par un dispositif de refroidissement (14), et en ce que l’échangeur thermique intermédiaire (10) est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur (7) avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur (4) étant agencé en aval dudit second échangeur-récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique. Figure pour l’abrégé : Fig 2

Description

Système de refroidissement cryogénique
La présente invention concerne un système de refroidissement cryogénique.
 Etat de la technique
Un système de refroidissement du type Turbo-Brayton utilise des procédés de compression, de refroidissement, et de détente afin d’obtenir un refroidissement par expansion adiabatique d’un gaz initialement à température ambiante.
Un tel système de refroidissement peut avoir plusieurs niveaux de compression par des compresseurs successifs. Chaque compression engendre un réchauffement du gaz comprimé. En général, la compression de gaz est effectuée à température ambiante et un radiateur ou un autre dispositif de refroidissement est utilisé en aval de chaque compresseur de manière à refroidir le gaz comprimé à une température proche de la température ambiante, en dissipant de l’énergie du gaz comprimé. Le gaz comprimé est ensuite fortement refroidi dans un échangeur récupérateur et atteint ensuite sa température minimale par une expansion en aval dudit échangeur récupérateur. Le gaz peut donc être utilisé pour l’application envisagée, par exemple le refroidissement d’un appareil supraconducteur tel qu’un moteur de propulsion, ou la liquéfaction d’un autre gaz tel que l’hydrogène.
Pendant l’utilisation, la température du gaz augmente suite à l’échange thermique avec l’appareil à refroidir. Le gaz est ensuite réutilisé en tant que source froide pour refroidir le gaz comprimé dans l’échangeur récupérateur et sa température augmente à une valeur proche de la température ambiante. En général, le gaz est directement réintroduit dans le système de compressions successives.
Pour le refroidissement des moyens de propulsion électrique utilisant des éléments supraconducteurs, on nécessite des échangeurs récupérateurs efficaces pour un échange de chaleur entre une température basse d’environ 20K et une température haute qui est légèrement au-dessus de la température de l’environnement du système, qui est typiquement autour de 290K au sol et peut baisser jusqu’à environ 220K pour un avion en altitude.
Pour la condensation ou liquéfaction de l’hydrogène à partir de vapeur d’hydrogène froide, la température basse est de 205 K, nécessitant des échangeurs récupérateurs également très performants.
La illustre un tel système de refroidissement. Après les étapes de compression dans les compresseurs 1a et 2a, le gaz comprimé est refroidi à température ambiante par les radiateurs 1b et 2b. Le gaz est ensuite refroidi à une température d’environ 20-25 K en passant par un échangeur récupérateur 3 (« counterflow heat exchanger » selon la terminologie anglo-saxonne) dans le conduit 3a. Après ce passage, le gaz est détendu dans un organe de détente 4 qui est typiquement une turbine d’expansion. A la sortie de l’organe de détente 4, le gaz atteint une température de 17-18 K et est donc apte à refroidir une application 50 telle qu’un moteur supraconducteur à 20 K.
Après l’échange thermique 55 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient proche de 20K. Par l’intermédiaire du conduit 3b, le gaz est reconduit dans l’échangeur récupérateur 3, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 3a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température ambiante et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1a.
De tels systèmes de refroidissement sont lourds et très encombrants. Même pour des durées de refroidissement relativement courtes, par exemple un vol de courte durée, le système requis présente un encombrement et une masse importants car il nécessite les mêmes composants qu’un système conçu pour un refroidissement de longue durée. Par ailleurs, la consommation électrique de tels systèmes est élevée.
Un but de l’invention est de concevoir un système de refroidissement cryogénique plus léger et moins encombrant, ayant une consommation électrique réduite, comprenant :
  • au moins un compresseur pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé,
  • au moins un détendeur pour détendre le gaz cryogénique comprimé,
  • un échangeur de chaleur adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu,
  • deux échangeurs récupérateurs, adaptés pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur,
caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement, et en ce que l’échangeur thermique intermédiaire est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur étant agencé en aval dudit second échangeur-récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique.
Un tel système est versatile dans le sens qu’il permet d’adapter sa masse et son volume à la durée d’utilisation. Le système permet également de s’adapter localement aux contraintes, car l’échangeur intermédiaire peut être refroidi par différentes sources froides.
Dans certains modes de réalisation, le dispositif de refroidissement comprend un fluide cryogénique assurant un échange thermique avec l’échangeur thermique intermédiaire. Ainsi, on peut adapter le poids et l’encombrement en fonction de la durée d’utilisation, tel que la durée d’un vol pour une application dans un avion, en limitant le volume de fluide cryogénique au volume requis pour la durée de l’utilisation du système. De manière avantageuse, le fluide cryogénique est de l’azote ou du méthane.
Dans d’autres modes de réalisation, le dispositif de refroidissement comprend au moins un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton, un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé.
De manière avantageuse, l’efficacité du premier échangeur récupérateur est inférieure à l’efficacité du deuxième échangeur récupérateur.
De préférence, l’échangeur de chaleur est adapté pour refroidir un appareil à une température comprise entre 17 K et 50 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K.
Avantageusement, les radiateurs comportent des éléments de fixation adaptés pour maintenir ledit échangeur de chaleur sur une paroi extérieure d’un aéronef ou sont thermiquement connectés à une structure refroidie par l’environnement externe dudit aéronef.
L’invention se rapporte aussi à un véhicule ou aéronef à propulsion électrique utilisant au moins un élément supraconducteur comprenant un système de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus, ledit système de refroidissement étant agencé de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à l’au moins un élément supraconducteur à refroidir. De préférence, les radiateurs sont agencés sur une paroi extérieure dudit véhicule ou aéronef ou en échange thermique avec l’environnement externe dudit véhicule ou aéronef.
De manière avantageuse, ledit véhicule ou aéronef à propulsion électrique comprend un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique. Avantageusement, ledit véhicule ou aéronef à propulsion électrique comprend en outre un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou aéronef, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire pour refroidir ledit échangeur thermique à une température cryogénique.
L’invention concerne également une installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule, un conteneur ou un aéronef, un système de refroidissement cryogénique tel que décrit ci-dessus, agencé dans ledit véhicule, conteneur ou aéronef, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier ou en élément supraconducteur. Dans certains modes de réalisation, ladite installation de liquéfaction d’hydrogène, comprend un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur ou aéronef, ledit réservoir étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire à une température cryogénique grâce au fluide cryogénique. Dans d’autres modes de réalisation, l’installation de liquéfaction d’hydrogène comprend un connecteur adapté pour établir une liaison fluidique entre l’échangeur thermique intermédiaire et un réservoir de fluide cryogénique à l’extérieur dudit véhicule, conteneur ou aéronef, pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire à une température cryogénique.
L’invention se rapporte aussi à un procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes :
  • une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur après chaque étape de compression,
  • le passage dudit gaz dans un premier échangeur-récupérateur de sorte à refroidir le gaz comprimé à une première température,
  • le passage du gaz en aval du premier échangeur-récupérateur dans un échangeur thermique intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement, de sorte à refroidir le gaz provenant du premier échangeur-récupérateur à une température intermédiaire inférieure à la première température,
  • le passage dudit gaz en aval de l’échangeur intermédiaire dans un second échangeur-récupérateur, de sorte à refroidir le gaz provenant de l’échangeur thermique intermédiaire à une seconde température inférieure à la température intermédiaire,
  • l’expansion dudit gaz dans un organe de détente de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique inférieure à la seconde température,
  • l’utilisation dudit gaz pour le refroidissement d’un appareil à refroidir,
  • le passage dudit gaz en aval de l’appareil à refroidir dans le second échangeur-récupérateur et le premier échangeur-récupérateur en récupérant l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit.
 Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique du type Turbo-Brayton conventionnel.
La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention.
La illustre l’application d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention dans un aéronef.
La montre en détail le système de refroidissement de la .
La illustre l’application d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention dans un conteneur mobile.
Description détaillée de modes de réalisation Structure du système de refroidissement
La est une vue schématique d’un système de refroidissement cryogénique selon l’invention. Le système comprend un ou plusieurs radiateurs 1b, 2b situés chacun en sortie d’un compresseur 1a, 2a respectif. Le système comprend en outre deux échangeurs-récupérateurs 7 et 8. Chaque échangeur-récupérateur comprend un conduit de refroidissement 7a, 8a en aval du ou des radiateurs 1b, 2b et en amont d’un ou plusieurs détendeurs 4, et un conduit de récupération 7b, 8b en échange thermique avec le conduit de refroidissement 7a, 8a de l’échangeur-récupérateur 7, 8 respectif. Le détendeur est par exemple une turbine d’expansion ou un détendeur du type Joule-Thompson. Pour augmenter l’efficacité du système, plusieurs détendeurs peuvent être agencés en série ou en parallèle.
Un échangeur thermique intermédiaire 10 est agencé entre le conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et le conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8.
L‘échangeur thermique intermédiaire procure un environnement froid permettant, par échange de chaleur, de refroidir le gaz en aval du conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et en amont du conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8. Par « froid », on entend dans le présent texte que la zone ou l’élément concerné est à une température cryogénique, c’est-à-dire une température typiquement inférieure à 150 K.
A titre d’exemple illustratif et non limitatif, l’échangeur thermique intermédiaire 10 peut être un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton ou un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé, ou une combination de plusieurs cryoréfrigérateurs du même type ou de types différents. De manière alternative, l’échangeur thermique intermédiaire 10 peut être un échangeur en liaison fluidique 12 avec un fluide de refroidissement dans un réservoir 14, ou immergé dans un bain de fluide de refroidissement. Dans ce cas, le fluide cryogénique circule de manière à utiliser la capacité calorifique dudit fluide cryogénique pour le refroidissement du gaz en en aval du conduit de refroidissement 7a du premier échangeur récupérateur 7 et en amont du conduit de refroidissement 8a du second échangeur-récupérateur 8. De manière avantageuse, le fluide cryogénique est un liquide cryogénique ayant une forte puissance cryogénique grâce à sa chaleur latente, comme par exemple l’azote liquide ou le méthane liquide. Dans certains modes de réalisation, l’échangeur thermique intermédiaire est une combinaison d’un cryoréfrigérateur et d’un dispositif refroidi à l’aide d’un fluide cryogénique.
Un échangeur thermique 5, agencé en aval du ou des détendeurs 4, permet l’échange thermique 55 avec l’application 50. L’application est, à titre illustratif et non limitatif, un moteur supraconducteur par exemple dans un aéronef, ou un système de refroidissement ou de liquéfaction d’hydrogène.
Ledit échangeur thermique 5 est lié fluidiquement au conduit de récupération 8b du second échangeur-récupérateur 8, qui est à son tour en liaison fluidique avec le conduit de récupération 7b du premier échangeur-récupérateur 7.
Un conduit apte à réintroduire le gaz dans le compresseur 1a est agencé en aval du conduit de récupération 7b du premier échangeur-récupérateur 7.
Fonctionnement du système de refroidissement
Afin de refroidir une application 50, on comprime un gaz cryogénique compris dans le système dans les compresseurs 1a et 2a, une telle compression produisant un échauffement dudit gaz. De préférence, ledit gaz cryogénique est de l’hélium. De manière alternative, le gaz peut être un mélange d’hélium et de néon, ou de l’hydrogène, ou encore un mélange d’hydrogène et de néon, ou un mélange des trois fluides cités. Après chaque étape de compression, le gaz comprimé est refroidi à une température proche de la température ambiante du système par un radiateur 1b ou 2b. La température ambiante est typiquement autour de 290K au sol et peut baisser jusqu’à environ 220K pour un avion en altitude.
Le gaz comprimé est ensuite refroidi à une première température basse, par exemple de 90 K en passant par l’échangeur récupérateur 7 dans le conduit 7a. Le gaz est ensuite refroidi par l’échangeur thermique intermédiaire 10 à une température intermédiaire, par exemple de 80 K.
Le gaz en aval de l’échangeur intermédiaire est refroidi à une seconde température basse, par exemple de 22 K en passant par l’échangeur récupérateur 8 dans le conduit 8a. La température intermédiaire est inférieure à la première température basse, et supérieure à la seconde température basse.
Après ce passage, le gaz est détendu dans le ou les détendeurs 4. A la sortie du ou des détendeurs 4, le gaz atteint sa température minimale (inférieure à 20 K) et est conduit dans l’échangeur 5 connecté thermiquement à l’application envisagée 50.
Après l’échange thermique 55 dans l’échangeur 5, la température du gaz devient proche de la température de l’application 50. Par l’intermédiaire du conduit 8b, le gaz est reconduit dans le second échangeur récupérateur 8, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à la température intermédiaire dans le conduit 8a. Ensuite, par l’intermédiaire du conduit 7b, le gaz est reconduit dans le premier échangeur récupérateur 7, dans lequel il est utilisé pour refroidir le gaz compressé à température ambiante dans le conduit 7a. Lors de cette dernière étape ledit gaz est réchauffé à une température proche de la température ambiante et peut être réintroduit dans le procédé de compressions successives à partir du compresseur 1a.
Applications
A titre d'exemple illustratif et non limitatif, le système peut être utilisé pour le refroidissement des composants supraconducteurs d’un moteur, par exemple pour la propulsion d’un aéronef.
Un tel moteur pour aéronef peut comprendre des composants, par exemple des bobines électromagnétiques, réalisés en matériau supraconducteur, permettant une augmentation de la puissance de la machine. Ces composants doivent être maintenus à une température inférieure à la température critique la plus basse des composants supraconducteurs pendant la durée du fonctionnement du moteur.
Le système peut également être utilisé pour refroidir un générateur supraconducteur ou tout autre système supraconducteur, par exemple un câble ou un limiteur de courant. Dans ce cas, la température du gaz cryogénique à l’entrée de l’échangeur 5 est typiquement proche de 20 K. Le système est donc apte à refroidir l’élément supraconducteur à une température comprise entre 20 et 50 K.
La illustre un aéronef 90 équipé d’un turbo-générateur 95 à refroidir, de deux moteurs supraconducteurs à refroidir, et d’un système de refroidissement 91 selon l’invention. L’aéronef 90 comprend un réservoir 92 contenant un liquide cryogénique, par exemple du méthane liquide à 110K, destiné à refroidir le turbo-générateur 95 utilisé pour générer l’énergie électrique nécessaire pour le fonctionnement de l’aéronef. Ce méthane liquide est en outre utilisé pour refroidir l’échangeur thermique intermédiaire du système de refroidissement 91.
Le système de refroidissement 91 comprend deux radiateurs 98 en sortie des 2 compresseurs. Les radiateurs 98 sont agencés à proximité de la paroi 97 permettant un contact thermique avec l’air à l’extérieur de l’aéronef, qui représente une température d’environ 220 K en altitude. De manière alternative, un échangeur thermique peut être utilisé pour établir un contact thermique entre l’air extérieur et les radiateurs 98.
En référence à la , le liquide cryogénique dans le réservoir 92 est utilisé pour le refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire du système de refroidissement 91, et ensuite utilisé pour le refroidissement du turbo-générateur 95 pour la production d’énergie électrique. Les conduits de refroidissement 99 du générateur 95 et les conduits de refroidissement 96 des moteurs supraconducteurs sont refroidis par le système de refroidissement 91 à une température proche de 20 K.
De manière alternative, le système peut être utilisé pour une liquéfaction ou re-liquéfaction d’hydrogène ou un refroidissement d’hydrogène liquide pendant son stockage. Par liquéfaction, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir d’hydrogène à température ambiante, c’est-à-dire à une température d’environ 280-300 K, qui implique de refroidir l’hydrogène puis de le liquéfier. Par re-liquéfaction ou condensation, on entend un procédé de passage de l’hydrogène d’un état gazeux à un état liquide à partir de vapeurs froides qui viennent d’être générées par évaporation d’une partie de l’hydrogène liquide et qui sont encore froides, c’est-à-dire à une température proche de celle de l’hydrogène liquide. La re-liquéfaction ou condensation implique donc uniquement de liquéfier l’hydrogène sans passer par une phase de refroidissement car les vapeurs sont déjà froides. Par sous-refroidissement, on entend un procédé de refroidissement de l’hydrogène liquide à une température inférieure à la température de liquéfaction.
Pour la liquéfaction, la re-liquéfaction ou le sous-refroidissement d’hydrogène, la température du gaz cryogénique à l’entrée de l’échangeur 5 est de 17-35K. Ledit gaz est donc apte à liquéfier de l’hydrogène à une température entre 20 et 35 K, ou à sous-refroidir de l’hydrogène liquide à une température comprise entre 20 et 30K. L’échangeur de chaleur 5 doit être adapté pour fonctionner à une température comprise entre 17 K et 35 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 25 K.
Pendant le stockage d’hydrogène à une température cryogénique, on maintient un refroidissement continu, afin de limiter une montée en pression dans le réservoir de stockage et d’éviter des pertes d’hydrogène par évaporation. De manière alternative, le refroidissement peut être appliqué par intermittence à intervalles réguliers, en laissant monter la pression dans le réservoir jusqu’à une pression limite puis en déclenchant le refroidissement pour faire diminuer la pression.
L’hydrogène peut être utilisé pour alimenter une pile à combustible ou un moteur à combustion à hydrogène, également dans les applications en aéronautique. Un système de refroidissement peut ainsi être utilisé en aéronautique pour un refroidissement simultané d’une quantité d’hydrogène et des composants supraconducteurs.
Utilisation et avantages
L’échangeur thermique intermédiaire 10 est utilisé pour refroidir le gaz cryogénique pendant son écoulement à haute pression à une température intermédiaire, plus haute que la température froide requise par l’application. Le premier échangeur-récupérateur 7 est utilisé pour baisser la température en amont de l’échangeur thermique intermédiaire. Plus l’échangeur thermique intermédiaire 10 apporte du refroidissement supplémentaire, moins le premier échangeur-récupérateur nécessite de puissance de refroidissement, et inversement. On peut donc ajuster les puissances du premier échangeur-récupérateur 7 et de l’échangeur thermique intermédiaire 10 selon les contraintes de l’environnement dans lequel le système de refroidissement est utilisé.
Le premier échangeur-récupérateur 7 peut donc être considérablement moins encombrant et moins lourd qu’un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu tel que décrit ci-dessus, fournissant la même température froide. Le second échangeur-récupérateur 8 est utilisé en aval de l’échangeur thermique intermédiaire 10 à plus proche de celle requise par l’application. Concernant le second échangeur-récupérateur 8, une puissance de refroidissement plus faible que dans un système connu est suffisante pour obtenir le refroidissement souhaité. La consommation électrique de chaque compresseur 1a, 2a en aval du premier échangeur-récupérateur 7 est réduite.
Le second échangeur-récupérateur 8 peut donc être considérablement moins encombrant et moins lourd qu’un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu fournissant la même puissance froide à la même température froide.
Grace à l’échangeur thermique intermédiaire 10, le débit du cycle de refroidissement peut être réduit d’un facteur d’environ 2 ou 3 par rapport à un système de refroidissement connu, pour obtenir une puissance transmise identique au niveau de l’échangeur 5.
Par exemple, pour une température froide de 20 K à une puissance donnée, le volume et la masse de chaque échangeur-récupérateur peut être réduite d’un facteur compris entre 4 et 5 par rapport à celle un échangeur-récupérateur dans un système de refroidissement connu et la consommation électrique de chaque compresseur est réduite d’un facteur compris entre 3 et 4.
Même en considérant le besoin de deux échangeurs-récupérateurs et d’un échangeur thermique intermédiaire, un système selon l’invention permet une réduction en masse et encombrement et simultanément une réduction de la consommation électrique en fonction des composants utilisés par rapport à un système de refroidissement connu.
Le second échangeur-récupérateur 8 nécessite un certain niveau d’efficacité afin d’atteindre la seconde température basse qui est par exemple d’environ 20 K. Avantageusement, le premier échangeur-récupérateur 7 présente une efficacité inférieure qui est généralement suffisante pour le refroidissement à la première température basse et permet de dimensionner le premier échangeur-récupérateur de manière plus légère et moins encombrante.
En particulier, quand le refroidissement est à effectuer pendant une période limitée, par exemple un vol de courte durée, l’échangeur thermique intermédiaire peut être alimenté par une quantité de fluide cryogénique limitée, refroidie avant le vol par un système au sol. On peut ainsi dimensionner la masse et l’encombrement du système de refroidissement selon la durée du refroidissement requise.
On peut ainsi effectuer un refroidissement de durée limitée pendant un trajet en véhicule, un transport d’un conteneur par exemple par un bateau ou un véhicule, ou un vol en aéronef. Dans ce cas, ledit véhicule, conteneur ou aéronef comprend un système de refroidissement dans lequel au moins une partie du refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire 10 est effectué par un fluide cryogénique. Le véhicule, conteneur ou aéronef comprend en outre un réservoir adapté pour stocker une quantité de fluide cryogénique suffisante pour le trajet prévu. Avantageusement, le véhicule, conteneur ou aéronef comprend en outre un connecteur apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique au sol. On peut ainsi remplir le réservoir avant le trajet ou vol afin de refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique pendant le trajet ou vol.
Dans d’autres cas, le refroidisseur cryogénique est agencé dans un conteneur mobile, qui peut être agencé à bord d’un véhicule ou aéronef. Le refroidissement est effectué quand ledit conteneur est au repos. Le refroidissement de l’échangeur thermique intermédiaire peut être effectué en utilisant une source froide agencée à un endroit fixe. Par exemple, l’échangeur thermique intermédiaire est en liaison fluidique avec un réservoir de stockage d’azote liquide.
La illustre le système de refroidissement agencé dans un conteneur mobile 60 monté sur un camion. Le système de refroidissement peut être connecté à une source d’électricité 63 externe et à un réservoir extérieur 62 rempli d’un fluide cryogénique, par exemple de l’azote liquide. Ainsi, le système de refroidissement peut être conçu de manière moins encombrante et moins lourde qu’un système de refroidissement connu, et être alimenté par des sources d’électricité et de liquide cryogénique disponibles à l’endroit de son utilisation. Le système peut être utilisé pour la liquéfaction ou ré-liquéfaction d’hydrogène liquide dans un réservoir 61, ou pour toute autre application cryogénique.
Le tableau 1 illustre la consommation, la masse et le besoin en fluide cryogénique dans le cas de différents systèmes de refroidissement fournissant une puissance de 1kW à une température de 20K. On considère dans ce tableau uniquement la boucle principale du système de refroidissement, dans laquelle circule le gaz cryogénique, et non la boucle secondaire qui, dans l’invention, apporte la puissance de refroidissement requise pour l’échangeur thermique intermédiaire.
1 kW à 20 K Consommation de la boucle principale Masse de la boucle principale Masse de l’azote liquide équivalent pour fournir 5kW à 80K
Système de refroidissement turbo-Brayton connu 200 kW 1000 kg
Système de refroidissement selon l’invention avec échangeur thermique intermédiaire de type turbo-Brayton apportant 5 kW à 80K 135 kW 580 kg
Système de refroidissement selon l’invention avec échangeur thermique intermédiaire alimenté par azote liquide apportant 5 kW à 80K 60 kW 250 kg ~ 82 kg/hr
Un système de refroidissement du type turbo-Brayton connu (première ligne du tableau) fournissant une telle puissance de 1kW à une température de 20K présente une masse de 1000 kg et une consommation électrique de 200 kW.
Selon une première alternative procurée par l’invention (deuxième ligne du tableau), on peut obtenir la même puissance de refroidissement à une température de 20K en utilisant un système de refroidissement comprenant un échangeur thermique intermédiaire refroidi par une machine de type turbo-Brayton apportant une puissance de 5 kW à 80K. La consommation électrique de la boucle principale d’un tel système est de 135 kW et sa masse est d’environ 580 kg. L’ensemble constitué de la boucle principale et de la boucle secondaire présente une consommation électrique et une masse inférieures à celles du système connu. Il est ainsi possible de concevoir des systèmes plus légers, ce qui permet de les embarquer dans un aéronef et d’un véhicule et également d’économiser du carburant pour les applications à bord d’un aéronef ou véhicule.
Selon une deuxième alternative procurée par l’invention (troisième ligne du tableau), on peut obtenir la même puissance de refroidissement de 1 kW à une température de 20K en utilisant un système de refroidissement comprenant un échangeur thermique intermédiaire refroidi par de l’azote liquide apportant une puissance de 5 kW à 80K. La consommation électrique de la boucle principale du système de refroidissement s’élève à 60 kW et la masse du système est de 250 kg. La consommation électrique de la boucle secondaire s’élève à 75 kW. L’ensemble constitué de la boucle principale et de la boucle secondaire présente une consommation électrique et une masse inférieures à celles du système connu. Pendant son fonctionnement, le système consomme en outre environ 82 kg d’azote liquide par heure. Par exemple, pour un vol d’une durée de 3 heures, cela correspond à une masse d’azote liquide de 246 kg, et une masse du système de refroidissement comprenant cette quantité d’azote liquide de 446 kg. Pour des durées de vol plus courtes, le système nécessite une plus petite quantité de fluide de refroidissement tel que l’azote liquide et présente donc une masse et encombrement encore moins important. On peut ainsi concevoir des systèmes de refroidissement modulables, plus légers et plus compacts pour des durées de vol plus courtes.
D’ailleurs, dans le cas d’une utilisation dans un véhicule ou aéronef, on peut agencer les radiateurs 1a et 1b en contact thermique avec l’environnement extérieur de l’aéronef, par exemple sur une paroi externe de l’aéronef en utilisant des éléments de fixation adaptés pour maintenir les radiateurs 1a et 1b sur une telle paroi pendant le vol. De manière alternative, les radiateurs 1a et 1b peuvent être agencés sur une paroi conductrice de chaleur en contact thermique avec l’environnement extérieur, ou en contact thermique en utilisant des fentes, grilles ou autres ouvertures permettant un échange avec l’air à l’extérieur du véhicule ou de l’aéronef.
Ce mode de réalisation est très avantageux pour l’utilisation dans un aéronef se déplaçant en altitude. Par exemple, à une altitude de 10km du sol, la température à l’extérieur de l’aéronef peut baisser jusqu’à environ 220K. Passant d’une température ambiante autour de 300K à un environnement tel que l’extérieur d’un aéronef, les besoins en refroidissement pour obtenir la température intermédiaire diminuent. Pour les applications en aéronautique, le système de refroidissement selon l’invention permet donc d’avantage de gagner en masse et encombrement.
Pour l’exemple d’un système de refroidissement fournissant une puissance de 1 kW à une température froide de 20K utilisant un échangeur thermique intermédiaire d’une puissance de 5kW à une température intermédiaire de 80K, une baisse de la température ambiante de 300 K au sol à 220 K à 10 km d’altitude engendre une baisse du besoin de refroidissement par l’échangeur thermique intermédiaire à 2,5 kW pour une température intermédiaire de 80K. Dans le cas où l’azote liquide est utilisé pour refroidir l’échangeur thermique intermédiaire, la consommation en azote liquide est réduite d’un facteur 2.
D’ailleurs, les moteurs supraconducteurs pour aéronef sont généralement dimensionnés pour les phases de vol nécessitant une puissance maximale du moteur, en particulier la phase de décollage. Le refroidisseur cryogénique est alors dimensionné pour la puissance maximale du moteur. Lorsque l’aéronef est en phase de croisière ou en phase d’atterrissage, les puissances du moteur et du système de refroidissement cryogénique sont inférieures. On peut donc adapter le refroidissement fourni par l’échangeur thermique intermédiaire, et, le cas échéant, son besoin en fluide cryogénique. Une telle adaptation permet davantage de réduire la masse et l’encombrement du système de refroidissement en adaptant plus précisément la quantité de fluide servant au refroidissement intermédiaire

Claims (15)

  1. Système de refroidissement cryogénique comprenant :
    • au moins un compresseur (1a, 2a) pour comprimer un gaz cryogénique et au moins un radiateur (1b, 2b) agencé en aval dudit compresseur pour refroidir le gaz cryogénique comprimé,
    • au moins un détendeur (4) pour détendre le gaz cryogénique comprimé,
    • un échangeur de chaleur (5) adapté pour être couplé à un appareil à refroidir par le gaz cryogénique détendu,
    • deux échangeurs récupérateurs (7, 8), adaptés pour un échange d’énergie thermique entre le gaz cryogénique comprimé en amont du détendeur (4) et le gaz cryogénique détendu en aval de l’échangeur de chaleur (5),
    caractérisé en ce qu’il comprend au moins un échangeur thermique intermédiaire (10), refroidi par un dispositif de refroidissement (14),
    et en ce que l’échangeur thermique intermédiaire (10) est agencé de sorte à refroidir le gaz cryogénique provenant du premier échangeur-récupérateur (7) avant le passage dudit gaz cryogénique dans le second échangeur-récupérateur, le détendeur (4) étant agencé en aval dudit second échangeur-récupérateur de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique.
  2. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend un fluide cryogénique assurant un échange thermique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10).
  3. Système selon la revendication 2, dans lequel le fluide cryogénique est de l’azote ou du méthane.
  4. Système selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend au moins un cryoréfrigérateur du type Turbo-Brayton, un cryoréfrigérateur basé sur le cycle Stirling ou un tube pulsé.
  5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’efficacité du premier échangeur récupérateur (7) est inférieure à l’efficacité du deuxième échangeur récupérateur (8).
  6. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’échangeur de chaleur (5) est adapté pour refroidir un appareil à une température comprise entre 17 K et 50 K et plus avantageusement comprise entre 17 K et 20 K.
  7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les radiateurs (1b, 2b) comportent des éléments de fixation adaptés pour maintenir ledit échangeur de chaleur (5) sur une paroi extérieure d’un aéronef ou sont thermiquement connectés à une structure refroidie par l’environnement externe dudit aéronef.
  8. Véhicule ou aéronef à propulsion électrique utilisant au moins un élément supraconducteur comprenant un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications précédentes, ledit système de refroidissement étant agencé de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur (5) à l’au moins un élément supraconducteur à refroidir.
  9. Véhicule ou aéronef selon la revendication 8, dans lequel les radiateurs (1b, 2b) sont agencés sur une paroi extérieure dudit véhicule ou aéronef ou en échange thermique avec l’environnement externe dudit véhicule ou aéronef.
  10. Véhicule ou aéronef selon l’une des revendications 8-9, comprenant un connecteur fluidique apte à connecter fluidiquement la source froide à une source de fluide cryogénique pour refroidir l’échangeur thermique à une température cryogénique.
  11. Véhicule ou aéronef selon l’une des revendications 8-10, comprenant un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou aéronef, ledit fluide cryogénique étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10) pour refroidir ledit échangeur thermique à une température cryogénique.
  12. Installation de liquéfaction d’hydrogène, comprenant un véhicule, un conteneur ou un aéronef, un système de refroidissement cryogénique selon l’une des revendications 1-7 agencé dans ledit véhicule, conteneur ou aéronef, ladite installation étant agencée de sorte à coupler thermiquement l’échangeur de chaleur à une source d’hydrogène à liquéfier ou en élément supraconducteur.
  13. Installation de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 12, comprenant un réservoir de fluide cryogénique agencé dans ledit véhicule ou conteneur ou aéronef, ledit réservoir étant en liaison fluidique avec l’échangeur thermique intermédiaire (10) pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire (10) à une température cryogénique grâce au fluide cryogénique.
  14. Installation de liquéfaction d’hydrogène selon la revendication 12, comprenant un connecteur adapté pour établir une liaison fluidique entre l’échangeur thermique intermédiaire (10) et un réservoir de fluide cryogénique à l’extérieur dudit véhicule, conteneur ou aéronef, pour refroidir ledit échangeur thermique intermédiaire (10) à une température cryogénique.
  15. Procédé de refroidissement cryogénique, comprenant les étapes suivantes :
    • une ou plusieurs étapes de compression d’un gaz cryogénique dans un compresseur (1a, 2a) et une étape de refroidissement dudit gaz comprimé par un radiateur (1b, 2b) après chaque étape de compression,
    • le passage dudit gaz dans un premier échangeur-récupérateur (7) de sorte à refroidir le gaz comprimé à une première température (T1),
    • le passage du gaz en aval du premier échangeur-récupérateur (7) dans un échangeur thermique (10) intermédiaire, refroidi par un dispositif de refroidissement (14), de sorte à refroidir le gaz provenant du premier échangeur-récupérateur à une température intermédiaire (Ti) inférieure à la première température (T1),
    • le passage dudit gaz en aval de l’échangeur intermédiaire (10) dans un second échangeur-récupérateur (8), de sorte à refroidir le gaz provenant de l’échangeur thermique (10) intermédiaire à une seconde température (T2) inférieure à la température intermédiaire (Ti),
    • l’expansion dudit gaz dans un organe de détente (4) de sorte à refroidir ledit gaz à une température cryogénique (Tc) inférieure à la seconde température (T2),
    • l’utilisation dudit gaz pour le refroidissement d’un appareil (50) à refroidir,
    • le passage dudit gaz en aval de l’appareil à refroidir (50) dans le second échangeur-récupérateur (8) et le premier échangeur-récupérateur (7) en récupérant l’énergie thermique du gaz comprimé dans le circuit.
FR2201706A 2022-02-25 2022-02-25 Système de refroidissement cryogénique Active FR3133075B1 (fr)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2201706A FR3133075B1 (fr) 2022-02-25 2022-02-25 Système de refroidissement cryogénique
PCT/FR2023/050267 WO2023161594A1 (fr) 2022-02-25 2023-02-24 Systeme de refroidissement cryogenique

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2201706A FR3133075B1 (fr) 2022-02-25 2022-02-25 Système de refroidissement cryogénique
FR2201706 2022-02-25

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3133075A1 true FR3133075A1 (fr) 2023-09-01
FR3133075B1 FR3133075B1 (fr) 2024-02-23

Family

ID=82196565

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2201706A Active FR3133075B1 (fr) 2022-02-25 2022-02-25 Système de refroidissement cryogénique

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3133075B1 (fr)
WO (1) WO2023161594A1 (fr)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463744B1 (en) * 1998-05-12 2002-10-15 Messer Griesheim Gmbh Method and device for producing cold
US20050016187A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc Pre-cooler for reducing cryogen consumption
US9261295B1 (en) * 2012-03-26 2016-02-16 Ball Aerospace & Technologies Corp. Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6463744B1 (en) * 1998-05-12 2002-10-15 Messer Griesheim Gmbh Method and device for producing cold
US20050016187A1 (en) * 2003-07-03 2005-01-27 Ge Medical Systems Global Technology Company, Llc Pre-cooler for reducing cryogen consumption
US9261295B1 (en) * 2012-03-26 2016-02-16 Ball Aerospace & Technologies Corp. Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023161594A1 (fr) 2023-08-31
FR3133075B1 (fr) 2024-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3414498B1 (fr) Dispositif de réfrigération cryogénique
US9261295B1 (en) Hybrid liquid-hydrogen and helium cryocooler systems and methods
JP2016509549A (ja) 航空機発電システム及び方法
US20180363852A1 (en) Thermoelectric power generating module, and thermoelectric power generating device, anti-freezing vaporizer, and vaporized fuel gas liquefaction process device including same
WO2013144470A1 (fr) Dispositif et procédé de remplissage de réservoir
EP2837873A2 (fr) Procédé et installation de production de gaz sous pression
WO2022023648A1 (fr) Circuit d'alimentation en carburant de turbomachine cryogenique aeronautique et procede associe
EP4038326B1 (fr) Dispositif de motorisation, véhicule volant et procédé de refroidissement d'un moteur
EP4189309A1 (fr) Installation et procédé de réfrigération d'hydrogène
EP2936006B1 (fr) Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction et procédé correspondant
FR3133075A1 (fr) Système de refroidissement cryogénique
WO2023280549A1 (fr) Installation et procédé de liquéfaction d'hydrogène.
YOSHIDA et al. Thermodynamic analysis of high pressure hydrogen gas refueling system with turbo-expanders
EP3521590A1 (fr) Système de refroidissement d air moteur à deux étages de refroidissement et comprenant au moins un échangeur cylindrique
FR2640322A1 (fr) Moteur-fusee ou moteur combine pour vehicule spatial a circuit hydraulique auxiliaire essentiellement ferme
KR20240019273A (ko) 액화 가스 저장을 위한 증발 관리 시스템 및 방법
FR3077603A1 (fr) Systeme de refroidissement d'air moteur a deux etages de refroidissement et procede correspondant
EP4226107A1 (fr) Installation et procédé de réfrigération et/ou de liquefaction d'un fluide
FR3123715A1 (fr) Système de refroidissement cryogénique
EP4136394A1 (fr) Installation de stockage de gaz liquéfié
WO2023072614A1 (fr) Système de conditionnement de carburant pour alimenter une turbomachine d'aéronef, aéronef et procédé d'utilisation
FR3059355B1 (fr) Installation de production d'energie electrique, d'energie mecanique et/ou de froid
FR3133404A1 (fr) Système de suralimentation en air pour système de conditionnement de carburant et procédé d’utilisation
EP4343246A1 (fr) Installation et procédé de production d'un fluide cryogénique
FR3136540A3 (fr) Installation et procédé de production d’un fluide cryogénique

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20230901

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3