Brevet FR2919716A1 — publié le 20090206

La présente invention concerne un procédé de refroidissement à basse température et son utilisation. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un gaz de travail à faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10 tel que l'hélium gazeux pur, au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant une station de compression du gaz de travail et une boîte froide destinée à refroidir le gaz de travail en sortie de la station de compression, le procédé comportant - une étape de compression durant laquelle le gaz de travail est comprimé dans la station de compression selon un ou plusieurs étages de compression utilisant chacun une ou plusieurs machines de compression, avec un taux de compression total par étage au moins égal à 2, et avec une densité à l'aspiration d'un étage inférieur à 1.2 kg/m3, - une étape de refroidissement du gaz de travail comprimé lors de l'étape de compression dans la boîte froide jusqu'à une température froide déterminée. L'invention concerne notamment 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. 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. Le pompage de la chaleur à partir des niveaux à basse température des systèmes décrits ci-dessus nécessite le recyclage de volumes importants de gaz dans les étages de compression, de refroidissement et de détente. Ces volumes nécessaires rendent l'étape de compression à la fois difficile et coûteuse. On utilise généralement dans les systèmes de réfrigération des compresseurs à vis lubrifiées. Le gaz de faible masse molaire, après sa compression dans les compresseurs à vis lubrifiées est refroidi et détendu dans des turbines de détente cryogéniques 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 à vis lubrifiées. Dans ces systèmes lubrifiés connus, il est nécessaire de séparer l'huile qui s'est mélangée au gaz de travail à faible masse molaire (hélium) après l'étape de compression. Les compresseurs de cycles de réfrigérateurs/liquéfacteurs de gaz à faible masse molaire de moyenne et forte puissance peuvent présenter plusieurs étages de compression avec donc, pour chacun, son système associé de séparation et de refroidissement de l'huile et du gaz de travail. L'huile utilisée lors de la compression doit être extraite complètement du gaz de travail pour éviter toute détérioration ou bouchage des sections cryogéniques aval. L'huile peut également être le vecteur d'autres impuretés qu'il faudra retirer avant de refroidir le gaz de travail. Une autre technique connue de compression est la compression centrifuge (rotative) dans laquelle des rotors appliquent une force centrifuge au gaz de travail pour produire une pression dynamique. Cependant, cette technologie de compresseurs centrifuges n'est pas appliquée à ce jour en réfrigération/liquéfaction de gaz ou mélanges à faible masse molaire car jugée inadaptée. En effet, pour obtenir des pressions suffisantes (par exemple de l'ordre de 20 bar absolus), ces compresseurs nécessitent de très nombreux rotors, et des vitesses de rotation de ces derniers très élevées, la faible densité du gaz limitant le taux de compression par la technologie centrifuge. Pour résoudre ce problème, il est connu d'ajouter au gaz de travail à faible masse molaire une fraction d'un composant additionnel ayant une masse molaire nettement supérieure (par exemple du R12, du propane). Cette solution est décrite par exemple dans le document FR2306414. De cette façon, la masse moléculaire moyenne du mélange obtenu est augmentée et le mélange est ainsi plus facilement comprimée par des compresseurs centrifuges. Cette technique connue est satisfaisante mais nécessite de séparer à chaque cycle le composant additionnel plus lourd . Une autre technologie de compression utilise des compresseurs à pistons qui fonctionnent par compression mécanique volumétrique du gaz. Cette technique a cependant l'inconvénient de présenter un rendement adiabatique très faible, une usure rapide des composants et une maintenance importante. Dans ces conditions, les applications industrielles connues utilisent les compresseurs à vis lubrifiées en essayant de minimiser leurs inconvénients. Parmi les inconvénients on peut citer notamment : - les procédures d'installation, de conditionnement et de maintenance des systèmes d'huile et de déshuilage associés aux compresseurs à vis huilées, dans le cadre de procédés cryogéniques, qui sont longues et couteuses, - la nécessité de systèmes d'huile et de déshuilage associés aux compresseurs à vis huilées, dans le cadre de procédés cryogéniques, conduit à l'installation d'équipements volumineux et encombrants et représente une part importante de la surface au sol nécessaire pour l'unité de réfrigération/liquéfaction, - la performance des usines se dégrade très rapidement en cas de défaillance du système de déshuilage, - l'huile est un composé organique qui peut se dégrader en cours d'opération de l'unité et peut produire des impuretés incompatibles avec le fonctionnement des sections cryogéniques aval, - la technologie de compresseurs à vis huilée associée à la nécessité de système annexes de gestion d'huile et de déshuilage conduit à des valeurs de disponibilités de la section compression limitées. Un but de la présente invention est de proposer un système de réfrigération utilisant un fluide de travail à faible masse molaire palliant tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'au moins une partie et de préférence tous les étages de compression sont réalisés par une ou des machines de compression de type centrifuge et en ce que le débit de fluide de travail admis en entrée de la station de compression est supérieur à 7500 Nm3/h et de préférence supérieur à 10000 Nm3/h. Ainsi, selon l'invention, en choisissant avantageusement les conditions de fonctionnement du réfrigérateur et notamment le débit de gaz de travail entrant dans la station de compression, il est possible d'utiliser des gaz de travail à faible masse molaire sans nécessiter d'y adjoindre un composé additionnel plus lourd. Le demandeur a en effet constaté que le procédé selon l'invention permet de concevoir des réfrigérateurs ou liquéfacteurs de puissances unitaires importantes tout en améliorant le rendement du réfrigérateur ou liquéfacteur. L'invention augmente l'efficacité globale du cycle de réfrigération et permet ainsi une économie d'énergie dans le processus de réfrigération. De plus le demandeur a constaté que selon l'invention, contrairement aux préjugés, le taux de fuite au sein des machines de compression centrifuges, et vers l'extérieur, n'est pas rédhibitoire pour un gaz de travail à faible masse molaire tel que l'hélium pur. Selon l'invention, la station de compression centrifuge augmente le taux de compression et le rendement global des machines de compression, en assurant notamment un taux de remplissage des roues de compression avantageux. L'invention propose de remplacer un ou plusieurs étages de compression à vis lubrifiées par un ou plusieurs étages de compression centrifuge. L'invention présente de nombreux avantages parmi lesquels : - la réduction des consommations électriques rapportées à la puissance froide produite. -l'augmentation des valeurs escomptées de disponibilité de la section compression des réfrigérateurs/liquéfacteurs de gaz de faible masse molaire et ainsi de l'ensemble de l'unité globale associée, - la réduction de l'encombrement global des unités de réfrigération/liquéfaction de gaz de faible masse molaire (pour un même service par rapport à une unité utilisant la technologie de compression vis usuelle pour ces systèmes), -la réduction des durées de montage et la simplification des opérations de 30 maintenance de la section compression, Selon l'invention il est possible d'utiliser une même machine de compression centrifuge sur plusieurs cycles de réfrigération/liquéfaction à différents niveaux de températures. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le gaz de travail est liquéfié lors de l'étape de refroidissement et stocké dans un stockage fixe ou mobile, - le procédé comporte une étape de retour d'une partie du gaz de travail liquéfié vers la station de compression pour former un cycle, - le procédé comporte une étape de refroidissement à basse température d'un organe utilisateur par échange thermique entre le gaz de travail refroidi et en ce que le gaz de travail est soumis à un cycle de réfrigération/liquéfaction en réalisant une étape de retour d'au moins une partie du gaz de travail ayant échangé thermiquement avec l'organe utilisateur vers la station de compression, - l'organe de travail comprend un fluide, - chaque machine de compression du type centrifuge comporte un moteur d'entraînement, une ou plusieurs roues tournantes de compression du fluide, lesdites roues étant entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, la ou les machines comprenant en outre un ou plusieurs système de réfrigération du fluide à la sortie d'au moins une roue, - chaque roue est dimensionnée pour comprimer le fluide de travail avec taux de compression entre l'entrée et la sortie de la roue compris entre 1,1 et 1,4, - le fluide de travail est constitué d'hélium gazeux pur, - le fluide de travail est constitué d'un gaz ou mélange gazeux ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10, - l'étape de refroidissement du gaz de travail comprimé est réalisée par un ou plusieurs échanges thermique avec une source froide tel qu'un liquide cryogénique et/ou par une ou plusieurs détentes, - l'étape de refroidissement comprend au moins une détente d'une partie du fluide comprimé dans au moins une turbine de détente cryogénique, au moins une partie du gaz détendu dans la ou les turbines de détente étant recyclée dans la station de compression en vue de sa re-compression, - la boîte froide comprend une pluralité d'échangeurs de chaleurs en échange thermique avec le fluide de travail, - la pression du fluide de travail entrant dans la station de compression est supérieure à 1 bar absolu et de préférence de l'ordre de 1,05 bar absolu et en ce que les machines de compressions sont dimensionnées pour comprimer le fluide jusqu'à une pression de sortie comprise entre 10 et 22 bar absolu à la sortie de la station de compression et de préférence jusqu'à une pression de sortie comprise entre 15 et 22 bar absolu, - le procédé utilise deux étages de compression et en ce que le fluide de travail est admis en entrée dans le premier étage de compression à un débit supérieur à 7500 Nm3/h à une pression d'entrée de l'ordre de 1,05 bar absolu et à une température d'entrée proche de la température ambiante, le premier étage de compression comprenant une unique machine de compression comportant un moteur d'entraînement et six roues tournantes de compression du fluide entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, les roues étant dimensionnées pour comprimer le gaz de travail en sortie de la première machine à une pression entre 2 et 7 bar absolu, le second étage de compression comprenant une unique machine de compression comportant un moteur d'entraînement et six roues tournantes de compression du fluide entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, les roues étant dimensionnées pour comprimer le gaz de travail en sortie de la première machine à une pression de l'ordre de 16,5 bar absolu, la station de compression comprenant une pluralité de systèmes de réfrigération du fluide à la sortie d'au moins d'une roue dimensionnés pour maintenir une température de fluide proche de l'ambiant à la sortie du premier étage de compression. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de système de réfrigération selon l'invention, - la figure 2 représente une vue partielle et schématique d'un détail du système de réfrigération de la figure 1 illustrant la structure et le fonctionnement 30 d'une machine formant un compresseur centrifuge. Les figures 3 et 4 illustrent respectivement des second et troisième exemples de réalisation de l'invention. L'exemple de réfrigérateur 10 représenté aux figures 1 et 2 comprend classiquement une station 2 de compression et une boîte froide 3. Le réfrigérateur 10 utilise un fluide de travail à faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10 tel que l'hélium gazeux pur. Le gaz de travail est comprimé à température ambiante dans la station 2 de compression selon un ou plusieurs étages de compression EC1, EC2 utilisant chacun une ou plusieurs machines de compression de type à compression centrifuge. Ainsi, en entrée de la station de compression 2 le gaz de travail arrive à une température proche de la température ambiante à une pression basse LP, atteint une pression moyenne MP en sortie du premier étage de compression EC1 et atteint une pression haute HP à la sortie du deuxième étage de compression EC2. Le gaz de travail comprimé est ensuite admis dans la boîte froide 3 où il y est refroidi (ou pré-refroidi). Lors de ce pré-refroidissement du gaz de travail, de l'énergie (chaleur) lui est extraite par détente d'une fraction du fluide de travail dans une ou des turbines 5 cryogéniques et/ou par échange thermique (échangeurs 6) avec un fluide cryogénique tel que l'azote par exemple. Les deux solutions de refroidissement peuvent être combinées pour amener le gaz de travail à la température froide souhaitée avant sa distribution vers son application (organe 1). Comme représenté, la fraction de fluide de travail détendu peut être recyclée 7 dans la station de compression, par exemple entre les deux étages de compression EC1, EC2, ou à l'amont de EC1. Après son échange thermique avec l'organe 1 utilisateur, le gaz de travail est progressivement réchauffé dans les échangeurs 6 (il cède des frigories à ces échangeurs 6 pour retourner à l'entrée de la station 2 de compression). Comme représenté par les conduites 14, le retour du gaz de travail ayant échangé avec l'organe utilisateur peut être opéré à plusieurs niveaux de température dans la boucle. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention une partie, et de préférence tous les étages de compression, sont réalisés par une ou des machines de type à compression centrifuge et le débit de fluide de travail admis en entrée de la station de compression est supérieur à 7500 Nm3/h et de préférence supérieur à 10000 Nm3/h. La station 2 de compression comprend un ou plusieurs étages de compression EC1, EC2. Chaque étage de compression EC1, EC2 comprend une ou plusieurs machines de compression centrifuge (par exemple plusieurs machines en parallèle). Chaque machine de compression centrifuge est composée classiquement d'un moteur (non représenté), d'un engrenage maître ( bull gear ), d'une ou plusieurs roues de compression (R1 à R6) en série et d'un ou plusieurs organes réfrigérants 4 (cf. figure 2). De préférence chaque machine de compression comprend au maximum six roues et au maximum six organes 4 réfrigérants intercalés respectivement entre deux roues en série ou placé à la sortie de la dernière roue. Le taux de compression du gaz de travail de chaque roue est compris de préférence entre 1.1 et 1.4. Selon un premier exemple d'application d'une installation de réfrigération selon l'invention permettant de délivrer une puissance frigorifique de 40kW à une température de 4.5 K, deux étages EC1, EC2 de compression sont prévus. Le premier étage de compression EC1 peut être réalisé par une seule machine de compression centrifuge ayant les caractéristiques suivantes : -Débit de gaz de travail en entrée: 40 000 Nm3/h, - Pression du gaz de travail en entrée : 1.05 bar absolu, - Température du gaz de travail en entrée : 37 C, - Pression en sortie du premier étage de compression : 4,2 bar absolu. Ce premier étage de compression EC1 comprend de préférence six roues et l'arrangement faisant subir au gaz de travail la séquence suivante : - une compression dans la première roue, - une compression dans la seconde roue, - un refroidissement dans un premier organe réfrigérant, - une compression dans la troisième roue, - une compression dans la quatrième roue, - un refroidissement dans un second organe réfrigérant, -une compression dans la cinquième roue, - une compression dans la sixième roue, et - un refroidissement dans un troisième organe réfrigérant en sortie de la première machine de compression. De préférence le moteur de la première machine tourne à 1500 t/min. La taille des roues est par exemple entre 330 et 400 mm. Ces dernières peuvent être constituées d'acier ou de titane. Le second étage de compression EC2 peut être réalisé par une seule machine de compression centrifuge ayant les caractéristiques suivantes : - Débit de gaz de travail en entrée: 75 200 Nm3/h, - Pression du gaz de travail en entrée : 4.2 bar absolu, - Température du gaz de travail en entrée : 39 C, -Pression en sortie du second étage de compression : 16,5 bar absolu. Ce second étage de compression EC2 comprend de préférence six roues et l'arrangement faisant subir au gaz de travail la séquence suivante : - une compression dans la première roue, - une compression dans la seconde roue, - un refroidissement dans un premier organe réfrigérant, - une compression dans la troisième roue, - une compression dans la quatrième roue, - un refroidissement dans un second organe réfrigérant, - une compression dans la cinquième roue, - une compression dans la sixième roue, et - un refroidissement dans un troisième organe réfrigérant en sortie de la seconde machine de compression EC2. De préférence le moteur de la seconde machine tourne à 3000 t/min. La taille des roues est par exemple entre 250 et 320 mm. Ces dernières peuvent être constituées d'acier ou de titane. Cette station de compression 2 permet d'obtenir la carte de pression suivante : Basse pression (entrée) = 1,05 bar absolu environ, moyenne pression (en sortie du premier étage de pression) comprise entre 2 et 4,5 bar absolu, haute pression (en sortie de station = sortie du second étage de compression) comprise entre 10 et 21 bar absolu et notamment entre 15 et 22 bar absolu. Dans la variante de réalisation de la figure 3, le fluide de travail est liquéfié et, en sortie de la boîte froide 3, est stocké dans un stockage 12 fixe ou mobile. C'est-à-dire que l'échange thermique avec un organe utilisateur est remplacé par une production de liquide à basse température. Une partie du fluide de travail peut retourner du stockage 12 vers la station 2 de compression. Cette variante de la figure 2 est particulièrement avantageuse dans une application de liquéfacteur industriel. Dans la variante de la figure 4, un circuit 101 de fluide secondaire peut être refroidi par échange thermique dans la boîte 3 froide (échangeur 6) et liquéfié dans un stockage 201. De même, un organe 111 utilisateur peut être refroidi à différents niveaux de température suivant l'endroit de son couplage dans la boîte froide (de l'ambiante jusqu'à des températures plus basses). Ainsi, le procédé de réfrigération selon l'invention permet l'utilisation de compresseurs centrifuges avec un gaz de travail à faible masse molaire puisqu'il permet d'atteindre des pressions suffisantes tout en évitant notamment l'utilisation de rotors en taille et en nombres rédhibitoires.15 REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement/liquéfaction à basse température d'un gaz de travail à faible masse molaire, c'est-à-dire ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10 tel que l'hélium gazeux pur, au moyen d'un réfrigérateur/liquéfacteur comprenant 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 procédé comportant - une étape de compression durant laquelle le gaz de travail est comprimé dans la station (2) de compression selon un ou plusieurs étages de compression (EC1, EC2) utilisant chacun une ou plusieurs machines de compression, avec un taux de compression total par étage au moins égal à 2, et avec une densité à l'aspiration d'un étage inférieur à 1.2 kg/m3, -une étape de refroidissement du gaz de travail comprimé lors de l'étape de compression dans la boîte froide (3) jusqu'à une température froide déterminée, caractérisé en ce qu'au moins une partie et de préférence tous les étages de compression sont réalisés par une ou des machines de compression de type centrifuge et en ce que le débit de fluide de travail admis en entrée de la station (2) de compression est supérieur à 7500 Nm3/h et de préférence supérieur à 10000 Nm3/h. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une partie au moins du gaz de travail est liquéfié lors de l'étape de refroidissement et stocké dans un stockage (12) fixe ou mobile. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de retour d'une partie du gaz de travail liquéfié vers la station (2) de compression pour former un cycle. 4. Procédé selon la revendication1, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement à basse température d'au moins un organe utilisateur (1) par échange thermique entre le gaz de travail refroidi et en ce que le gaz de travail est soumis à un cycle de réfrigération/liquéfaction en réalisant une étape de retour d'au moins une partie du gaz de travail ayantéchangé thermiquement avec l'organe (1) utilisateur vers la station (2) de compression. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'organe (1) de travail comprend un fluide (101). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque machine de compression du type centrifuge comporte un moteur d'entraînement, une ou plusieurs roues (R1 à R6) tournantes de compression du fluide, lesdites roues étant entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, la ou les machines comprenant en outre un ou plusieurs système de réfrigération (4) du fluide à la sortie d'au moins une roue (R1 à R6). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque roue est dimensionnée pour comprimer le fluide de travail avec taux de compression entre l'entrée et la sortie de la roue compris entre 1,1 et 1,4. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le fluide de travail est constitué d'hélium gazeux pur. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le fluide de travail est constitué d'un gaz ou mélange gazeux ayant une masse molaire globale moyenne inférieure à 10 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement du gaz de travail comprimé est réalisée par un ou plusieurs échanges thermique (6) avec une source froide tel qu'un liquide cryogénique et/ou par une ou plusieurs détentes (5). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de refroidissement comprend au moins une détente d'une partie du fluide comprimé dans au moins une turbine (5) de détente cryogénique, au moins une partie du gaz détendu dans la ou les turbines (5) de détente étant recyclée dans la station (2) de compression en vue de sa re-compression. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la boîte froide (3) comprend une pluralité d'échangeurs de chaleurs en échange thermique avec le fluide de travail. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la pression du fluide de travail entrant dans la station(2) de compression est supérieure à 1 bar absolu et de préférence de l'ordre de 1,05 bar absolu et en ce que les machines de compressions sont dimensionnées pour comprimer le fluide jusqu'à une pression de sortie comprise entre 10 et 25 bar absolu à la sortie de la station (2) de compression et de préférence jusqu'à une pression de sortie comprise entre 15 et 22 bar absolu. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il utilise deux étages de compression (EC1, EC2) et en ce que le fluide de travail est admis en entrée dans le premier étage (EC1) de compression à un débit supérieur à 7500 Nm3/h à une pression d'entrée de l'ordre de 1, 05 bar absolu et à une température d'entrée proche de la température ambiante, le premier étage de compression (EC1) comprenant une unique machine de compression comportant un moteur d'entraînement et six roues tournantes de compression du fluide entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, les roues étant dimensionnées pour comprimer le gaz de travail en sortie de la première machine à une pression entre 2 et 7 bar absolu, le second étage de compression (EC2) comprenant une unique machine de compression comportant un moteur d'entraînement et six roues tournantes de compression du fluide entraînées par le moteur via un système de transmission de mouvement par engrenage, les roues étant dimensionnées pour comprimer le gaz de travail en sortie de la première machine à une pression de l'ordre de 16,5 bar absolu, la station (2) de compression comprenant une pluralité de systèmes de réfrigération (4) du fluide à la sortie d'au moins d'une roue (R1 à R6) dimensionnés pour maintenir une température de fluide proche de l'ambiant à la sortie du premier étage de compression. 15.Utilisation d'un procédé de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour délivrer une puissance froide comprise entre 12 et 50 kW à une température froide comprise entre 25 et 1.8 K en vue de refroidir un système supraconducteur par exemple caractérisé en ce qu'il comprend un unique réfrigérateur.