WO2013041789A1 - Procede et installation de refrigeration - Google Patents

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WO2013041789A1
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Jean-Marc Bernhardt
Cindy Deschildre
Eric Fauve
David Grillot
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L'air Liquide,Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
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    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants

Definitions

  • the present invention relates to an installation and a method of refrigeration.
  • the invention particularly relates to a low temperature refrigeration plant and method in which a low molecular weight gas (for example hydrogen or helium) is used as a refrigerant to achieve very low refrigeration temperatures (for example 4.5 K for helium).
  • a low molecular weight gas for example hydrogen or helium
  • Obtaining refrigeration at temperatures of 30 K and lower generally requires the use of a refrigerant such as helium.
  • Helium is compressed at a hot end of a loop or circuit, then cooled and expanded in the cold part of the loop (cold box). Most of the refrigerant is heat exchanged and recycled to the compression stage. In some applications, a fraction of the working gas can be liquefied.
  • the compression of the liquefaction / refrigeration helium cycles generally uses one or more stages of compression machines (compressors) with lubricated screws followed by a deoiling system.
  • each refrigerator is connected to its own compressor station.
  • each compression level can be divided into several compressors in parallel.
  • Primary oil management and cooling systems can be common to multiple compressors or dedicated to each.
  • the low molecular weight gas After compression and de-oiling the low molecular weight gas is cooled and expanded in cryogenic expansion turbines of a cold box to reach the required temperature level. Frigories not used by the user of the refrigerator / liquefier are then passed to the high-pressure working fluid for cooling in the heat exchangers. The working gas at low and medium pressure of the circuit returns to the suction of the compressors.
  • Refrigeration cycles (which generate cold) are typically “closed” at each refrigerator. That is, the cycle rate of working fluid that enters the cold box is predominantly from the same cold box. On the other hand, these cycle rates are "open” or combined at the level of the application to be cooled (the flow of working fluid supplied by the refrigerators is pooled for the application to be cooled and then returned to each refrigerator by a distribution system respective).
  • An object of the invention is to provide a method and a refrigeration installation of an application by means of several refrigerators / liquefiers arranged in parallel which solves all or part of the above problems.
  • an object of the invention may be to provide a method and a refrigeration installation less expensive and / or more compact and / or more effective and / or more flexible than the known systems.
  • the refrigeration plant of the same application means comprises several refrigerators / liquefiers arranged in parallel, the refrigerators / liquefiers in parallel using a working gas of the same nature having a low molar mass, that is to say having an overall average molar mass of less than 10 g / mol such as pure helium gas, each refrigerator / liquefier comprising a compressor station of the working gas, a cold box for cooling the working gas leaving the station compression, the working gas cooled by each of the respective cold boxes of the refrigerators / liquefiers being heat-exchanged with the application for the purpose of transferring frigories to the latter, in which a single compressor station compresses the gas for each of the respective separate cold boxes of the refrigerators / liquefiers arranged in parallel, the a single compression station comprising only lubricated screw-type compression machines and de-oiling systems of the working fluid at the outlet of the compression machines, so that compression machines and de-oiling systems are pooled by the refrigerator /
  • the invention particularly relates to refrigeration / liquefaction in which the working gas is brought to a cryogenic temperature close to its liquefaction temperature at the outlet of the cold box.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the single compression station comprises a plurality of compression machines defining a plurality of pressure levels for the working fluid
  • the passage of a pressure level to the next higher pressure level is achieved via one or more compression machines in series or via several compression machines arranged in parallel, -
  • the passage of at least one pressure level at the next higher pressure level is achieved via two compression machines arranged in parallel, a deoiling system being disposed at the outlet of the two compression machines, the deoiling system comprising either a single deoiling member common to the two compression machines arranged in parallel, ie two deoiling members assigned respectively to the two compression machines arranged in parallel,
  • the installation comprises at least one final deoiling system disposed at the outlet of the last one compression level, that is to say before a fluidic connection supplying fluid to the cold box,
  • the installation comprises at least one cooling exchanger for the working fluid downstream of a compression machine
  • the installation comprises three compression machines defining three levels of increasing pressure above the fluid pressure level at the inlet of the compression station, a first and a second compression machines being arranged in series and defining at their output respective fluid of the pressure levels respectively said “low” and “high”, a third compression machine being fed at the inlet with fluid from the cold boxes at a pressure level called “medium” intermediate between the low and high levels, the third compression machine defining at its fluid outlet also a "high" pressure level,
  • the installation comprises a fourth compression machine arranged in parallel with the second compression machine, the output of the fourth compression machine being connected to the inlet of the third compression machine,
  • the outputs of the third compression machine and the second compression machine are connected to a common pipe defining the same high level of pressure
  • the output of the third compression machine and the output of the second compression machine are connected to at least one cold box at distinct locations defining respective respective and distinct high levels of pressure for the fluid
  • Another object of the invention is to propose a refrigeration installation of the same application by means of a single refrigerator / liquefier or of several refrigerators / liquefiers arranged in parallel, the refrigerators / liquefiers using a working gas of same nature having a low molecular weight, that is to say having an average total molecular weight of less than 10 g / mol such as pure helium gas, each refrigerator / liquefier comprising a working gas compression station, a cold box for cooling the working gas at the outlet of the compression station, the working gas cooled by each of the respective cold boxes of the refrigerators / liquefiers being placed in heat exchange with the application for the purpose of transferring frigories to the latter, in which a single compression station compresses the working gas for each of the cold boxes of the refrigerator / liquefier (s), the compression station comprising only compression compression machines lubricated screw type and de-oiling systems of the working fluid at the output of the compression machines, and in that the compression station comprises a plurality
  • the outputs of the secondary compression machine and the main compression machine are connected to a common pipe defining the same high level of pressure
  • the outputs of the secondary compression machine and the main compression machine are connected to at least one cold box at distinct locations defining respective respective and distinct high levels of pressure for the fluid
  • the invention also relates to a method of refrigerating the same application by means of a refrigeration and / or liquefaction plant comprising several refrigerators / liquefiers arranged in parallel, the refrigerators / liquefiers in parallel using a working gas of the same type having a low molar mass, that is to say having an average global molar mass of less than 10 g / mol such as pure helium gas, each refrigerator / liquefier comprising a gas compression station; a respective cold box for cooling the working gas at the outlet of the compressor station, the working gas cooled by the respective cold boxes of the refrigerators / liquefiers being placed in heat exchange with the application in order to give them refrigerators, in which a single compressor station compresses the working gas for each cold box separate from the refrigerators / liquefiers arranged in parallel, the single compressor station comprising only lubricated screw type compression machines and systems de-oiling the working fluid at the outlet of the compression machines, so that the compression machines and the de-oil
  • the power variations of the installation are realized by varying the speed of only a part of the compression machines of the common compression station,
  • the cooling application by the refrigerators / liquefiers in parallel is disposed in the same enclosure and includes superconducting elements to cool.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • FIG. 1 is a simplified representation of the structure and operation of an installation according to the invention
  • FIG. 2 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a first exemplary embodiment according to the invention
  • FIG. 3 represents a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a second exemplary embodiment according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic and partial view illustrating the structure and operation of a third embodiment of the invention.
  • the refrigeration plant shown schematically in Figure 1 comprises several refrigerators / liquefiers (L / R) arranged in parallel cooling the same physical entity (that is to say the same application 1).
  • Refrigerators / liquefiers (L / R) arranged in parallel use a working gas of the same nature having a low molecular weight, that is to say having a overall average molar mass less than 10 g / mol such as pure helium gas for example.
  • Each refrigerator / liquefier uses a station 2 for compressing the working gas and a cold box 3 for cooling the working gas at the outlet of the compression station 2.
  • the working gas cooled by each of the respective cold boxes 3 of the refrigerators / liquefiers (L, R) is heat exchanged, via a distribution circuit 1 1, with the application 1 in order to give away frigories to the latter.
  • a single compression station 2 compresses the working gas for each of the respective cold boxes 3 separate refrigerators / liquefiers L / R arranged in parallel.
  • the compression station 2 can be connected if necessary to a storage buffer 12 called "hot" working fluid.
  • the single compression station 2 comprises compression machines only lubricated screw type and deoiling systems of the working fluid output compression machines. In this way, compression machines (lubricated screw compressors) and deoiling systems are pooled by the refrigerators / liquefier arranged in parallel.
  • This configuration limits the number of machines and equipment needed to compress the working fluid.
  • the architecture also makes it possible, if necessary, to provide different fluid cycle pressures by function or by compression station.
  • FIG. 2 illustrates a first possible embodiment of the invention.
  • the single common compression station 2 comprises a plurality of compression machines EC1, EC2, EC3 defining several pressure levels VLP, LP, MP, HP, HP1, HP2 for the working fluid.
  • VLP very low pressure
  • a first compression machine EC1 ensures a rise in pressure of the working fluid to a so-called “low” pressure LP which is higher than the very low pressure VLP.
  • the fluid can be deoiled in a de-oiling member 4 and then cooled in a heat exchanger.
  • the output of the first compression machine EC1 is then connected to the input of a second compression machine EC2 which compresses the fluid from the LP base pressure to a high HP pressure.
  • the input of this second compression machine EC2 also receives fluid at this low pressure level LP coming from the cold boxes 3.
  • the fluid can be deoiled in an organ 4 of de-oiling and then cooled in a heat exchanger. Before returning to the cold boxes 3, the fluid can undergo a last more selective deoiling in a final de-oiling system 14.
  • a third compression machine EC3 is disposed in the compression station 2.
  • This third compression machine EC3 is fed at the inlet with fluid from the boxes 3 at a pressure level called "average" MP intermediate between the low LP and high HP levels.
  • This third compression machine EC3 also defines at its fluid outlet a pressure level "high” HP for the working fluid.
  • the fluid can be deoiled in a de-oiling member 4 and then cooled in a heat exchanger 5.
  • the high-pressure working fluid is injected upstream of the final de-oiling system 14 (a pipe is connected to the outlet of the second compression machine EC2.
  • This solution therefore combines several screw compression machines lubricated between LP low pressure and high pressure HP and also has a compression level between the intermediate pressure MP and the same HP high pressure.
  • This configuration has the advantage of reducing the size of the primary oil management systems 4 (de-oiling systems 4 before the final deoiling 14), in particular on the part of the cycle between the LP low pressure and the HP high pressure.
  • This architecture also simultaneously makes it possible to maintain flexibility on the variations of flow and pressure possible within this part of the circuit (in particular between the mean pressure MP and the high pressure HP).
  • each of the compression stages made by a compression machine can of course be replaced by two or more compressors arranged in parallel. Indeed, depending on the working fluid flow required, each level of compression can be divided into several compressors arranged in parallel. In this case, the primary oil management (deoiling) and cooling systems can be common to several compressors or be dedicated to each one.
  • the output of the first compression machine EC1 can also be connected to the input of the third compression machine EC3 at a level of pressure says "average" MP.
  • the rest of the architecture remains similar.
  • the variant of Figure 3 differs from that of Figure 1 only in that the installation comprises a fourth compression machine EC12 arranged in parallel with the second EC2 compression machine.
  • the fluid inlet of the fourth compression machine EC12 is connected both to the output of the first compression machine EC1 and to a fluid inlet at this low pressure. cold boxes 3.
  • the output of the fourth EC12 compression machine is connected to the input of the third compression machine EC3 (the input of the third compression machine EC3 also receives fluid at the average pressure MP cold boxes).
  • the second EC2 and fourth EC4 parallel compression machines can each have at their output, a dedicated de-oiling system 4 and a dedicated heat exchanger 5.
  • these deoiling systems 4 and heat exchanger 5 may be common and therefore shared.
  • each compression level can be divided into several machines (compressors) arranged in parallel.
  • this solution combines several compressors between LP low pressure and HP high pressure and further provides a level of compression between the intermediate pressure MP and the same HP high pressure.
  • a portion of the flow of low pressure LP working fluid passes EC12 compression machines that compress the fluid only to the intermediate pressure MP.
  • the latter EC12 compression machines can be equipped with variable speed drives to react to variations in low pressure fluid flow. Fluid recirculation between LP low pressure and MP medium pressure is also possible to react to load variations.
  • the combined EC2 compressor (s) between LP low pressure and HP high pressure can operate at a constant rate and independently of load (application 1) and duty cycle fluctuations. Fluctuations in flow rates and pressures are absorbed by the compressor group EC1, EC3, EC12 between the very low input pressure VLP to the higher levels (LP-> MP-> HP).
  • FIG. 4 differs from that of FIG. 3 only in that the outputs of the third compression machine EC3 and the second compression machine EC2 are connected to at least one cold box 3 at distinct locations defining respective and distinct high pressure levels HP1, HP2 for the fluid.
  • the pipe comprising the fourth compression machine EC12 and its downstream members has been shown in dotted lines (to highlight its optional character).
  • each high pressure outlet HP1, HP2 of the third EC3 and second EC2 compression machines comprises, downstream of a respective heat exchanger 5, a final deoiling member 14 respectively.
  • Two final deoiling systems 14 are indeed essential because of the pressure difference between the two lines.
  • this high pressure HP2 is independent of the high pressure HP1 obtained at the output of the compressors which compresses between the average pressure MP and the high pressure HP1.
  • This architecture also makes it possible to optimize the sizes and the efficiencies of the different types of compressors of the different stages of compression.
  • the circuit comprising a compression stage between the medium pressure MP and HP1 high pressure generally feeds the majority of the coolers of the cycle of cold boxes 3 which are the refrigeration source of the system. A variation of this cycle therefore allows a direct variation of the refrigeration power of the refrigerators / liquefiers L / R.
  • the high-pressure fluid circuit HP2 issuing from the second compression machine EC2 can be used preferentially for supplying an application 1 and / or an expansion circuit of a Joule-Thompson type cooling to cold end of the cycle.
  • the invention can be applied in particular to any refrigeration / liquefaction unit of high liquefaction or refrigeration capacity using helium or a rare gas.
  • the respective low pressure levels VLP, low LP, average MP and high HP compression stages as well as compression ratios and Corresponding flows of the working gas can be included in the intervals below.
  • compression station architectures of the illustrated examples can also advantageously be applied to an installation using a single liquefier / refrigerator (and not several in parallel).

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Abstract

Procédé et installation de réfrigération d'une même application (1) au moyen de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) comprenant une station (2) de compression du gaz de travail,une boîte froide (3) destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station (2) de compression, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes (3) froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) étant mis en échange thermique avec l'application (1) en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, une unique station de compression (2) assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides (3) distinctes respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) disposés en parallèle, l'unique station (2) de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées (EC1, EC2, EC3) et des systèmes (4, 14) de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression(EC1, EC2, EC3), de sorte que les machines de compression (EC1, EC2, EC3) et les systèmes (4, 14) de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) disposés en parallèle.

Description

Procédé et installation de réfrigération
La présente invention concerne une installation et un procédé de réfrigération.
L'invention concerne notamment une installation et un procédé de réfrigération à basse température dans lequel un gaz de faible masse molaire (par exemple l'hydrogène ou l'hélium) est utilisé comme fluide réfrigérant pour atteindre des températures de réfrigération très basses (par exemple 4,5 K pour l'hélium). L'obtention d'une réfrigération à des températures de 30 K et plus basses nécessite généralement l'utilisation d'un réfrigérant tel que l'hélium. L'hélium est comprimé à une extrémité chaude d'une boucle ou circuit, puis refroidi et détendu dans la partie froide de la boucle (boîte froide). La majeure partie du réfrigérant est réchauffée par échange et recyclée dans l'étage de compression. Dans certaines applications, une fraction du gaz de travail peut être liquéfiée.
La compression des cycles de liquéfaction/réfrigération hélium utilise généralement un ou plusieurs étages de machines de compression (compresseurs) à vis lubrifiées suivi d'un System de déshuilage.
S'il est nécessaire d'avoir plusieurs réfrigérateurs, chaque réfrigérateur est connecté à sa propre station de compression. En fonction des débits demandés, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs compresseurs en parallèles. Les systèmes de gestion d'huile primaires et de refroidissement peuvent être communs à plusieurs compresseurs ou être dédié à chacun.
Après sa compression et son déshuilage le gaz de faible masse molaire est refroidi et détendu dans des turbines de détente cryogéniques d'une boîte froide pour atteindre le niveau de température requis. Les frigories non utilisées par l'utilisateur du réfrigérateur/liquéfacteur sont ensuite transmises au fluide de travail à haute pression pour le refroidir dans les échangeurs de chaleur. Le gaz de travail à basse et moyenne pression du circuit retourne à l'aspiration des compresseurs.
Pour des systèmes de réfrigération de grande taille, par exemple supérieur à 20kW équivalent à 4.5K il est nécessaire d'utiliser plusieurs réfrigérateurs distincts en parallèle connecté à la même application à refroidir. Les charges thermiques fluctuantes de l'application à refroidir induisent des fluctuations de débit sur les compresseurs de la station de compression. Les coûts de la station de compression (matériel, intégration et installation) sont relativement importants par rapport au coût global de l'installation.
Les cycles de réfrigération (qui génèrent le froid) sont classiquement « fermés » au niveau de chaque réfrigérateur. C'est-à-dire que le débit de cycle de fluide de travail qui entre dans la boite froide ressort en majorité de cette même boite froide. En revanche, ces débits de cycle sont « ouvert » ou combinés au niveau de l'application à refroidir (le débit de fluide de travail fourni par les réfrigérateurs est mutualisé pour l'application à refroidir puis retourne à chaque réfrigérateur par un système de distribution respectif).
Un but de l'invention est de proposer un procédé et une installation de réfrigération d'une application au moyen de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle qui résout tout ou partie des problèmes ci-dessus. En particulier, un but de l'invention peut être de proposer un procédé et une installation de réfrigération moins coûteux et/ou plus compacts et/ou plus efficaces et/ou plus souple d'utilisation que les systèmes connus.
A cette fin, l'installation de réfrigération d'une même application au moyen comprend plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides distinctes respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, l'unique station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, de sorte que les machines de compression et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.
L'invention concerne en particulier une réfrigération/liquéfaction dans laquelle le gaz de travail est amené à une température cryogénique proche de sa température de liquéfaction en sortie de boîte froide.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- l'unique station de compression comprend une pluralité de machines de compression définissant plusieurs niveaux de pression pour le fluide de travail,
- le passage d'un niveau de pression au niveau de pression suivant supérieur est réalisé via une ou plusieurs machines de compression en série ou via plusieurs machines de compression disposées en parallèle, - le passage d'au moins un niveau de pression au niveau de pression supérieur suivant est réalisé via deux machines de compression disposées en parallèle, un système de déshuilage étant disposé à la sortie des deux machines de compression, le système de déshuilage comprenant soit un organe de déshuilage unique commun aux deux machines de compression disposées en parallèle, soit deux organe de déshuilage affectés respectivement aux deux machines de compression disposées en parallèle,
- l'installation comporte au moins un système de déshuilage final disposé en sortie du dernier un niveau de compression, c'est-à-dire avant une liaison fluidique alimentant en fluide la boîte froide,
- l'installation comprend au moins un échangeur de refroidissement du fluide de travail en aval d'une machine de compression,
- l'installation comprend trois machines de compression définissant trois niveaux de pression croissant au-dessus du niveau de pression du fluide en entrée de la station de compression, une première et une seconde machines de compression étant disposées en série et définissant à leur sortie de fluide respective des niveaux de pression respectivement dit « bas » et « haut », une troisième machine de compression étant alimentée en entrée par du fluide issu des boîtes froides à un niveau de pression dit « moyen » intermédiaire entre les niveaux bas et haut, la troisième machine de compression définissant à sa sortie de fluide également un niveau de pression « haut »,
- l'installation comprend une quatrième machine de compression disposée en parallèle avec la seconde machine de compression, la sortie de quatrième machine de compression étant reliée à l'entrée de la troisième machine de compression,
- les sorties de la troisième machine de compression et de la seconde machine de compression sont reliée à une conduite commune définissant un même niveau haut de pression,
- la sortie de la troisième machine de compression et la sortie de la seconde machine de compression sont reliées à au moins une boîte froide à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts pour le fluide,
Un autre but de l'invention est de proposer une installation de réfrigération d'une même application au moyen d'un seul réfrigérateur/liquéfacteur ou de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, le ou les réfrigérateurs/liquéfacteurs utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides du ou des réfrigérateurs/liquéfacteurs, la station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, et en ce que la station de compression comprend une pluralité de machines de compression définissant plusieurs niveaux de pression pour le fluide de travail, le passage d'un niveau de pression au niveau de pression suivant supérieur est réalisé via une ou plusieurs machines de compression en série ou via plusieurs machines de compression disposées en parallèle, la station de compression comprenant au moins deux machines de compression définissant au moins deux niveaux de pression croissant au-dessus du niveau de pression du fluide en entrée de la station de compression, deux machines de compression principales étant disposées en série et définissant à leur sortie de fluide respective des niveaux de pression respectivement dit « bas » et « haut », une autre machine de compression secondaire étant alimentée en entrée par du fluide issu des boîtes froides à un niveau de pression dit « moyen » intermédiaire entre les niveaux bas et haut, cette machine de compression secondaire définissant à sa sortie de fluide également un niveau de pression « haut ».
Selon d'autres particularités possibles
- les sorties de la machine de compression secondaire et de la machine de compression principale sont reliée à une conduite commune définissant un même niveau haut de pression,
- les sorties de la machine de compression secondaire et de la machine de compression principale sont reliées à au moins une boîte froide à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts pour le fluide,
L'invention concerne également un procédé de réfrigération d'une même application au moyen d'une installation de réfrigération et/ou liquéfaction comprenant plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail, une boîte froide respective destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le gaz de travail refroidi par les boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs étant mis en échange thermique avec l'application en vue de lui céder des frigories, dans laquelle, une unique station de compression assure la compression du gaz de travail pour chacune boîtes froides distinctes des réfrigérateurs/liquéfacteurs disposés en parallèle, l'unique station de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression, de sorte que les machines de compression et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.
Selon s'autres particularités possibles :
- lorsque la charge thermique de l'application à refroidir varie, les variations puissance de l'installation sont réalisées par en variant le régime d'une partie seulement des machines de compression de la station de compression commune,
- l'application refroidie par les réfrigérateurs/liquéfacteurs en parallèle est disposée dans une même enceinte et comprend des éléments supraconducteurs à refroidir.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente de façon simplifiée la structure et le fonctionnement d'une l'installation selon l'invention,
- la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation selon l'invention,
- la figure 3 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un second exemple de réalisation selon l'invention,
- la figure 4 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un troisième exemple de réalisation selon l'invention.
L'installation de réfrigération représentée schématiquement à la figure 1 comprend plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle qui refroidissement la même entité physique (c'est-à-dire la même application 1 ).
Les réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle utilisent un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur par exemple.
Chaque réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) utilise une station 2 de compression du gaz de travail et une boîte froide 3 destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station 2 de compression. Le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes 3 froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) est mis en échange thermique, via un circuit 1 1 de distribution, avec l'application 1 en vue de céder des frigories à cette dernière.
Selon une particularité avantageuse, une unique station de compression 2 assure la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides 3 respectives distinctes des réfrigérateurs/liquéfacteurs L/R disposés en parallèle.
La station 2 de compression 2 peut être reliée le cas échéant à un stockage 12 tampon dit « chaud » de fluide de travail. Selon une autre particularité avantageuse, l'unique station 2 de compression comprend des machines de compression uniquement du type à vis lubrifiées et des systèmes de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression. De cette façon, les machines de compression (compresseurs à vis lubrifiées) et les systèmes de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur disposés en parallèle.
Cette configuration permet de limiter le nombre de machines et équipements nécessaires à la compression du fluide de travail.
Ceci permet également de concentrer les variations de charge sur un nombre limité de compresseurs avec des moyens de régulation adaptés (par exemple des variateurs de fréquence, des vannes de réglage, ...).
De plus, ceci permet également le cas échéant de regrouper des stations de compressions par type de compresseur ou par fonction (cycle de réfrigération et/ou alimentation client) plutôt que par cycles de réfrigérations.
L'architecture permet également le cas échéant de prévoir différentes pressions de cycle du fluide par fonction ou par station de compression.
La figure 2 illustre un premier exemple de réalisation possible selon l'invention. Comme visible à la figure 2, l'unique station 2 de compression commune comprend une pluralité de machines de compression EC1 , EC2, EC3 définissant plusieurs niveaux VLP, LP, MP, HP, HP1 , HP2 de pression pour le fluide de travail.
En entrée, de la station de compression 2, le fluide issu d'une ou de plusieurs boîtes froides 3 arrive à une pression dite « très basse » (VLP). Cette pression de niveau très bas dépend de l'application 1 et ce niveau de pression très bas peut ne pas être présent pour certaines applications (c'est-à-dire que le premier niveau de pression dans la station de compression est dit « bas » c'est-à- dire compris dans l'intervalle ci-après mentionné). Une première machine de compression EC1 assure un montée en pression du fluide de travail jusqu'à une pression dite « basse » LP qui est supérieure à la pression très basse VLP. En sortie de cette première machine de compression EC1 , le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. La sortie de la première machine de compression EC1 est reliée ensuite à l'entrée d'une seconde machine de compression EC2 qui compresse le fluide de la pression base LP à une pression haute HP. L'entrée de cette seconde machine de compression EC2 reçoit également du fluide à ce niveau de pression basse LP issu des boîtes froides 3. Comme précédemment, en sortie de cette seconde machine de compression EC2, le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. Avant de retourner dans les boîtes froides 3, le fluide peut subir un dernier déshuilage plus sélectif dans un système de déshuilage final 14. Une troisième machine de compression EC3 est disposée dans la station 2 de compression. Cette troisième machine de compression EC3 est alimentée en entrée par du fluide des boîtes 3 à un niveau de pression dit « moyen » MP intermédiaire entre les niveaux bas LP et haut HP. Cette troisième machine de compression EC3 définit également à sa sortie de fluide un niveau de pression « haut » HP pour le fluide de travail. En sortie de cette seconde machine de compression EC2, le fluide peut être déshuilé dans un organe 4 de déshuilage puis refroidi dans un échangeur 5 de chaleur. Le fluide de travail à haute pression est injecté en amont du système de déshuilage final 14 (une conduite vient se raccorder à la sortie de la seconde machine de compression EC2.
Cette solution combine donc plusieurs machines de compression à vis lubrifiées entre la basse pression LP et la haute pression HP et possède en plus un niveau de compression entre la pression intermédiaire MP et la même haute pression HP.
Cette configuration présente l'avantage de réduire la taille des systèmes 4 primaires de gestion d'huile (systèmes de déshuilage 4 avant le déshuilage final 14) en particulier sur la partie du cycle entre la pression basse LP et la pression haute HP. Cette architecture permet également simultanément de conserver une flexibilité sur les variations de débit et de pression possibles au sein de cette partie du circuit (en particulier entre la pression moyenne MP et la haute pression HP).
En revanche cette solution est moins souple en ce qui concerne la possibilité de faire varier le débit de fluide de travail dans la basse pression LP car les machines de compression combinées sont interdépendantes et les fluctuations sont plus difficilement contrôlables. Chacun des étages de compression réalisés par une machine de compression peut bien entendu être remplacé par deux compresseurs (ou plus) disposés en parallèle. En effet, en fonction des débits de fluide de travail nécessaires, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs compresseurs disposés en parallèles. Dans ce cas, les systèmes de gestion d'huile primaire (déshuilage) et de refroidissement peuvent être communs à plusieurs compresseurs ou être dédié à chacun.
En fonction du niveau de pression très bas VLP et du taux de compression de la première machine de compression EC1 , la sortie de la première machine de compression EC1 peut également être relié à l'entrée de la troisième machine de compression EC3 à un niveau de pression dit « moyen » MP. Le reste de l'architecture restant similaire.
La variante de la figure 3 se distingue de celle de la figure 1 uniquement en ce que l'installation comprend une quatrième machine de compression EC12 disposée en parallèle avec la seconde EC2 machine de compression. De la même façon que pour la seconde machine de compression EC2, l'entrée de fluide de la quatrième machine de compression EC12 est reliée à la fois à la sortie de la première machine de compression EC1 et à une arrivée de fluide à cette basse pression des boîtes froides 3. La sortie de la quatrième machine de compression EC12 est quant à elle reliée à l'entrée de la troisième machine de compression EC3 (l'entrée de la troisième machine de compression EC3 reçoit également du fluide à la pression moyenne MP des boîtes froides).
Comme précédemment, les second EC2 et quatrième EC4 machines de compression en parallèle peuvent avoir chacune à leur sortie, un système de déshuilage 4 dédié et un échangeur de chaleur 5 dédié. En variante ces systèmes de déshuilage 4 et échangeur de chaleur 5 peuvent être communs et donc partagés.
Comme précédemment, en fonction des débits de fluide de travail requis, chaque niveau de compression peut être divisé en plusieurs machines (compresseurs) disposées en parallèles.
Comme précédemment également, cette solution combine plusieurs compresseurs entre la basse pression LP et la haute pression HP et prévoit en plus un niveau de compression entre la pression intermédiaire MP et la même haute pression HP.
Dans le cas de la figure 3 cependant, une partie du débit de fluide de travail à basse pression LP passe dans des machines de compression EC12 qui compriment le fluide uniquement vers la pression intermédiaire MP. Ces dernières machines de compression EC12 peuvent être équipées de variateurs de vitesse afin de réagir à des variations de débit de fluide à basse pression. La recirculation de fluide entre les basses pressions LP et pression moyenne MP est également possible pour réagir aux variations de charge.
Le ou les compresseurs EC2 combinés entre la basse pression LP et la haute pression HP peuvent fonctionner avec un débit constant et de manière indépendante aux fluctuations de la charge (application 1 ) et du cycle de travail. Les fluctuations de débits et de pressions sont absorbées par le groupe de compresseurs EC1 , EC3, EC12 entre la pression très basse d'entrée VLP jusqu'aux niveaux supérieurs (LP->MP->HP).
La variante de la figure 4 se distingue de celle de la figure 3 uniquement en ce que les sorties de la troisième machine de compression EC3 et de la seconde EC2 machine de compression sont reliée à au moins une boîte froide 3 à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts HP1 , HP2 pour le fluide. De plus, à la figure 4, la conduite comprenant la quatrième machine de compression EC12 et ses organes aval (déshuileur 4 et échangeur de chaleur 5) a été représentée en pointillés (pour bien mettre en évidence son caractère facultatif).
Dans cette configuration de la figure 4, chaque sortie haute pression HP1 , HP2 des troisième EC3 et seconds EC2 machines de compression comprend, en aval d'un échangeur 5 de chaleur respectif, un organe de déshuilage final 14 respectif. Deux systèmes de déshuilage finaux 14 sont en effet indispensables du fait de la différence de pression entre les deux lignes.
Comme précédemment, une partie du débit de fluide à basse pression LP est comprimée directement à une pression haute HP2. Dans cette configuration de la figure 4, cette pression haute HP2 est indépendante de la pression haute HP1 obtenue en sortie des compresseurs qui compriment entre la pression moyenne MP et la pression haute HP1 .
Cette architecture permet également d'optimiser les tailles et les efficacités des différents types de compresseurs des différents étages de compression.
Les variations de débit et de pression du fluide sur les circuits aboutissant respectivement aux deux niveaux de pression haute HP1 et HP2 peuvent donc également être gérées de manière plus indépendante.
Le circuit comprenant un étage de compression entre la pression moyenne MP et à pression haute HP1 alimente en général la majorité des turbines de détentes du cycle des boîtes froides 3 qui sont la source de réfrigération du système. Une variation de ce cycle permet donc une variation directe de la puissance de réfrigération des réfrigérateurs/liquéfacteurs L/R. En revanche, le circuit de fluide à haute pression HP2 issu de la seconde machine de compression EC2 peut être utilisé préférentiellement pour une alimentation d'une application 1 et/ou d'un circuit de détente d'un refroidissement de type Joule-Thompson au bout froid du cycle.
L'invention peut s'appliquer notamment à toute unité de réfrigération/liquéfaction de grande capacité de liquéfaction ou de réfrigération utilisant de l'hélium ou un gaz rare.
A titre d'exemple non limitatif (circuit avec trois étages de compression mais définissant quatre niveaux de pression), les niveaux de pression respectifs très bas VLP, bas LP, moyen MP et haut HP des étages de compression ainsi que les taux de compression et débits correspondants du gaz travail peuvent être compris dans les intervalles ci-dessous.
Figure imgf000012_0001
Les architectures des stations de compression des exemples illustrés peuvent s'appliquer avantageusement également à une installation utilisant un seul liquéfacteur/réfrigérateur (et non pas plusieurs en parallèle).

Claims

REVENDICATIONS
1 . Installation de réfrigération cryogénique d'une même application (1 ) au moyen de plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs (L/R) en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) comprenant une station (2) de compression du gaz de travail, une boîte froide (3) destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station (2) de compression à une température cryogénique au moins proche de sa température de liquéfaction, le gaz de travail refroidi par chacune des boîtes (3) froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) étant mis en échange thermique avec l'application (1 ) en vue de céder des frigories à cette dernière, dans laquelle, l'ensemble des stations de compression du ou des réfrigérateurs/ liquéfacteurs forment une unique station de compression (2) assurant la compression du gaz de travail pour chacune des boîtes froides (3) distinctes respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) disposés en parallèle, l'unique station (2) de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées (EC1 , EC2, EC3) et des systèmes (4,
14) de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression (EC1 , EC2, EC3), de sorte que les machines de compression (EC1 , EC2, EC3) et les systèmes (4, 14) de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) disposés en parallèle.
2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que l'unique station (2) de compression comprend une pluralité de machines de compression (EC1 , EC2, EC3) définissant plusieurs niveaux (VLP, LP, MP, HP, HP1 , HP2) de pression pour le fluide de travail.
3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le passage d'un niveau de pression (VLP, LP, MP, HP, HP1 , HP2) au niveau de pression suivant supérieur est réalisé via une ou plusieurs machines de compression (EC1 , EC2, EC3) en série ou via plusieurs machines de compression (EC1 , EC2, EC3) disposées en parallèle.
4. Installation selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le passage d'au moins un niveau de pression (VLP, LP, MP, HP, HP1 , HP2) au niveau de pression supérieur suivant est réalisé via deux machines de compression (EC1 , EC12) disposées en parallèle, un système (4, 14) de déshuilage étant disposé à la sortie des deux machines de compression (EC1 , EC12), le système de déshuilage comprenant soit un organe de déshuilage unique commun aux deux machines de compression (EC1 , EC12) disposées en parallèle, soit deux organe de déshuilage affectés respectivement aux deux machines de compression (EC1 , EC12) disposées en parallèle.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un système (14) de déshuilage final disposé en sortie du dernier un niveau de compression, c'est-à-dire avant une liaison fluidique alimentant en fluide la boîte froide (3).
6. Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un échangeur (5) de refroidissement du fluide de travail en aval d'une machine (EC1 , EC2, EC3) de compression.
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle comprend trois machines de compression (EC1 ,
EC2, EC3) définissant trois niveaux de pression (LP, MP, HP) croissant au- dessus du niveau de pression (VLP) du fluide en entrée de la station (2) de compression, une première (EC1 ) et une seconde (EC2) machines de compression étant disposées en série et définissant à leur sortie de fluide respective des niveaux de pression respectivement dit « bas » (LP) et
« haut » (HP), une troisième machine de compression (EC3) étant alimentée en entrée par du fluide issu des boîtes froides (3) à un niveau de pression dit « moyen » (MP) intermédiaire entre les niveaux bas (LP) et haut (HP), la troisième machine de compression (EC3) définissant à sa sortie de fluide également un niveau de pression « haut » (HP).
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comprend une quatrième machine de compression (EC12) disposée en parallèle avec la seconde (EC2) machine de compression, la sortie de quatrième machine de compression (EC12) étant reliée à l'entrée de la troisième machine de compression (EC3).
9. Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que les sorties de la troisième machine de compression (EC3) et de la seconde (EC2) machine de compression sont reliée à une conduite commune définissant un même niveau haut de pression (HP).
10. Installation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la sortie de la troisième machine de compression (EC3) et la sortie de la seconde (EC2) machine de compression sont reliées à au moins une boîte froide (3) à des emplacements distincts définissant des niveaux hauts de pression respectifs et distincts (HP1 , HP2) pour le fluide.
1 1 . Procédé de réfrigération d'une même application (1 ) au moyen d'une installation de réfrigération et/ou liquéfaction comprenant plusieurs réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) disposés en parallèle, les réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) en parallèle utilisant un gaz de travail de même nature ayant une faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10g/mol tel que l'hélium gazeux pur, chaque réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) comprenant une station (2) de compression du gaz de travail, une boîte froide (3) respective destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station (2) de compression, le gaz de travail étant amené à une température cryogénique proche de sa température de liquéfaction en sortie de boîte froide, le gaz de travail refroidi par les boîtes froides respectives des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) étant mis en échange thermique avec l'application (1 ) en vue de lui céder des frigories, dans laquelle, une unique station de compression (2) assure la compression du gaz de travail pour chacune boîtes froides (3) distinctes des réfrigérateurs/liquéfacteurs (L, R) disposés en parallèle, l'unique station (2) de compression comprenant uniquement des machines de compression du type à vis lubrifiées (EC1 , EC2, EC3) et des systèmes (4, 14) de déshuilage du fluide de travail en sortie des machines de compression (EC1 , EC2, EC3), de sorte que les machines de compression (EC1 , EC2, EC3) et les systèmes (4, 14) de déshuilage sont mutualisés par les réfrigérateur/liquéfacteur (L/R) disposés en parallèle.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que, lorsque la charge thermique de l'application (1 ) à refroidir varie, les variations puissance de l'installation sont réalisées par en variant le régime d'une partie seulement des machines de compression de la station (2) de compression commune.
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