Brevet FR2927403A1 — publié le 20090814

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de refroidissement d'un réservoir notamment d'un réservoir mobile pour du fluide cryogénique. Etat de la technique Les procédés du type défini ci-dessus pour refroidir des réservoirs s'utilisent par exemple pour la distribution d'hélium et d'hydrogène. L'hélium, gaz noble, s'obtient usuellement à partir du gaz naturel de sorte que la production d'hélium se limite à quelques pays tels que les Etats-Unis, la Russie, l'Algérie ou le Qatar. La distribution mondiale de l'hélium nécessite un refroidissement à une température inférieure à 4,5 K, à l'état liquide, puis le transport et la distribution dans des réservoirs isolés. Les réservoirs à hélium devraient être toujours mainte- nus à une température ne dépassant pas 50 à 60 K. Pour cette raison, on ne peut vider complètement les réservoirs d'hélium. En outre, l'écran de rayonnement qui protège habituellement de tels réservoirs doit toujours être rempli d'azote liquide. Ce n'est qu'ainsi qu'on assure que les réservoirs d'hélium ne se réchauffent que légèrement jusqu'à 50-60 K. Avant de remplir de nouveau un réservoir avec de l'hélium, il faut le refroidir à 4,5 K car sinon l'hélium liquide introduit s'évaporerait. En pratique de tels réservoirs sont fournis fréquemment aux stations de remplissage à des températures de l'ordre de 150 K et plus. C'est pourquoi avant de les remplir avec de l'hélium liquide, il faut de nouveau les refroidir à la température de celui-ci. Ce refroidissement des réservoirs se fait habituellement dans les stations de remplissage et consiste à faire passer de l'hélium du réservoir de la station à travers le réservoir à refroidir pour ainsi en abaisser la température. Comme l'hélium utilisé à ce moment s'évapore complètement, il faut le cas échéant le nettoyer et dans la mesure où il ne doit pas être évacué, il faut le reliquéfier. Le procédé de refroidissement décrit ci-dessus se fait au prix d'une consommation d'énergie relativement élevée car du point de vue de l'énergie externe, générer du froid à une température de 4,5 K pour l'utiliser à des températures de 150 K et plus est très peu efficace. En outre, le procédé de refroidissement évoqué ci-dessus présente l'inconvénient que l'hélium gazeux, produit en plus pendant le refroidissement, dépasse souvent la capacité des installations de liquéfaction d'hélium équipant la station de remplissage. En conséquence, il faut rejeter dans l'environnement de l'hélium gazeux, coûteux. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un pro-cédé du type défini ci-dessus pour refroidir un réservoir notamment un réservoir mobile destiné à un fluide cryogénique tout en évitant les inconvénients cités ci-dessus. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention concerne un procédé de refroidissement du type défini ci-dessus caractérisé par les étapes suivantes : a) on relie directement ou indirectement le réservoir à refroidir à un cir- 15 cuit frigorifique, b) on fait circuler un fluide frigorifique dans le circuit frigorifique, ce fluide étant identique ou différent du fluide à stocker dans le réservoir à refroidir, c) on comprime le fluide frigorifique, on le refroidit et on le détend de 20 façon à générer du froid, et d) on utilise au moins une partie du flux du fluide frigorifique pour refroidir le réservoir à refroidir. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : 25 - on réalise une liaison directe entre le réservoir à refroidir et le circuit frigorifique en faisant passer le fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique à travers le réservoir à refroidir ; - on réalise une liaison indirecte entre le réservoir à refroidir et le circuit frigorifique et le fluide frigorifique circulant dans le circuit frigo- 30 rifique fournit son froid à un circuit frigorifique auxiliaire dont le fluide frigorifique passe dans le réservoir à refroidir ; - le fluide frigorifique est de l'hélium ou de l'hydrogène ; - on puise le fluide frigorifique souillé du circuit frigorifique et on le remplace par du fluide frigorifique nouveau et/ ou traité ; - la compression du fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique se fait en une ou plusieurs étapes ; - la détente du fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique se fait en une ou plusieurs étapes. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 montre schématiquement un procédé de refroidissement d'un réservoir notamment d'un réservoir mobile recevant un fluide cryogénique, - la figure 2 montre une variante du procédé de refroidissement de la figure 1. Description de modes de réalisation de l'invention Le réservoir à refroidir est représenté figures 1 et 2 sous la forme d'un carré vide S. Ce carré représente en fait un ou plusieurs réservoirs à refroidir tels que par exemple ceux servant au transport d'hélium liquide et qui, en général, sont installés sur des remorques de camions. La figure 1 montre un circuit frigorifique comportant des segments de conduite 2-8 dans lesquels circule le fluide frigorifique du circuit frigorifique. Dans la mesure où le circuit frigorifique représenté sert à refroidir directement le réservoir, les segments de conduite 5 et 7 sont reliés directement au réservoir S. Si le réservoir à refroidir S est un réservoir d'hélium, on utilise de préférence ce même gaz comme fluide frigorifique du circuit frigorifique. De façon analogue, dans le cas d'un réservoir d'hydrogène S que l'on veut refroidir, on utilisera de préférence ce gaz comme fluide frigorifique du circuit frigorifique. Dans le cas du nouveau refroidissement d'un réservoir d'hydrogène, on peut toutefois réaliser une variante de procédé comme celle représentée figure 2. La figure montre une � liaison indirecte � entre le réservoir à refroidir S et le circuit frigorifique tel qu'apparaissant à la figure 1. Cette liaison indirecte du réservoir à refroidir S à un circuit frigorifique se réalise à l'aide d'un échangeur de chaleur E' traversé par le fluide frigorifique du circuit frigorifique (ce fluide est fourni en entrée et sortie par les segments de conduite 5, 7 à l'échangeur de chaleur E'). Le circuit frigorifique fournit la chaleur à un circuit frigorifique auxiliaire représenté par les segments de conduite 13, 14. Le fluide frigorifique circulant dans ce circuit frigorifique auxiliaire traverse le réservoir à refroidir S pour le refroidir. Dans le procédé représenté figure 2, le circuit frigorifique 2-8 utilise de l'hélium comme fluide frigorifique alors que le fluide frigorifique du circuit frigorifique auxiliaire 13, 14 utilise avantageusement de l'hydrogène. Ce procédé permet d'éviter toute contamination du réservoir d'hydrogène S que l'on veut refroidir de nouveau. Le fluide frigorifique circulant dans les segments de con-duite 2-8 du circuit frigorifique (dans le cas où l'on utilise de l'hélium comme fluide frigorifique) est comprimé dans une unité de compression à un ou deux étages V pour passer d'environ 1 bar jusqu'à environ 10 bar. Le flux d'hélium comprimé alimente l'échangeur de chaleur E par la conduite 3 et y circule à contre-courant d'une veine d'azote à ré-chauffer passant par les segments de conduite 11, 12 à travers l'échangeur de chaleur E pour être refroidi à une température d'environ 80 K. La veine d'hélium arrive ensuite par la conduite 4 dans une turbine T à un ou plusieurs étages pour s'y détendre à une pression finale d'environ 2 bara. A la sortie de la turbine T, on dispose de la veine d'hélium sous une température d'environ 53 K. La veine d'hélium est alors séparée en deux veines partielles. La première veine partielle passe par la conduite 5 pour alimenter le réservoir S que l'on veut refroidir de nouveau pour servir alors à refroidir le réservoir S alors que la seconde veine partielle passe par la conduite 6 et par une vanne de dérivation (a), réglable. Après avoir traversé le réservoir à refroidir S, la première veine partielle est mélangée dans la conduite 7 à la seconde veine partielle de la conduite 6. La veine d'hélium arrive par la conduite 8 à l'échangeur de chaleur E pour s'y réchauffer et parvient par la conduite 2 à l'entrée de l'unité de compres- sion V. Le procédé selon l'invention permet de refroidir le réservoir S dont on veut de nouveau abaisser la température, à l'aide d'un circuit frigorifique fermé, pour atteindre une température d'environ 60 K. A 60 K, l'enthalpie des matériaux ou métaux utilisés en règle gé- 25 30 nérale pour le réservoir à refroidir ne représente plus qu'environ 1/10 de l'enthalpie à la température de 150 K. La température que l'on atteint en mélangeant les deux veines partielles de fluide frigorifique des conduites 6 et 7 ne doit pas dépasser 120 K pour assurer que les contraintes thermiques dans l'échangeur de chaleur E restent suffisamment faibles. Se limiter à une température de mélange de 120 K a pour conséquence que la quantité de la veine partielle de l'hélium traversant le réservoir à refroidir S y augmente en fonction de la diminution de la température. Dès que la température intérieure du réservoir S est descendue en dessous de 120 K, la vanne de dérivation A reste fermée. En variante de la conduite du procédé décrite qui prévoit une répartition de la veine d'hélium seulement après la détente T, on peut également prélever une veine partielle d'hélium dès avant la dé- tente et la fournir à l'entrée de l'échangeur de chaleur E. La figure 1 montre cette solution en représentant une conduite 6' en trait inter-rompu avec une vanne de dérivation (a') également représentée en trait interrompu. Pour maintenir les pressions dans le circuit frigorifique, il faut également compléter le fluide frigorifique au cours du procédé de refroidissement. Dans le cas d'un circuit frigorifique à l'hélium, on peut compléter avec de l'hélium gazeux obtenu par un procédé de liquéfaction d'hélium non représenté à la figure en fournissant cet hélium par la conduite 1. Selon un développement avantageux du procédé selon l'invention, dans la mesure où le réservoir à refroidir S est souillé, on peut prévoir, pendant le procédé de refroidissement, qu'une veine partielle du fluide calorifique passant par les segments de conduite 9 et 10 soit prélevée du circuit calorifique pour être nettoyée. Le procédé de refroidissement d'un réservoir selon l'invention permet de disposer du froid nécessaire au refroidissement du réservoir à un niveau de température intéressant du point de vue exégétique. Cela améliore considérablement le rendement de l'opération de refroidissement. L'installation de liquéfaction d'hélium utilisée en général ne sera pas perturbée dans son fonctionnement par le procédé de refroidissement selon l'invention et peut ainsi assurer de façon ininterrompue le rendement maximum possible. De plus, les temps de refroidissement des réservoirs à refroidir à nouveau sont raccourcis de plusieurs jours. io REVENDICATIONS 1 °) Procédé de refroidissement d'un réservoir notamment d'un réservoir mobile recevant un fluide cryogénique, caractérisé par les étapes sui-vantes : e) on relie directement ou indirectement le réservoir (S) à refroidir à un circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a'), f) on fait circuler un fluide frigorifique dans le circuit frigorifique, ce fluide étant identique ou différent du fluide à stocker dans le réservoir à refroidir, g) on comprime (V) le fluide frigorifique, on le refroidit (E) et on le dé-tend (T) de façon à générer du froid, et h) on utilise au moins une partie du flux du fluide frigorifique (5, 7) pour refroidir le réservoir à refroidir (S). 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise une liaison directe entre le réservoir à refroidir (S) et le circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a') en faisant passer le fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique à travers le réservoir à refroidir (S). 3°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on réalise une liaison indirecte entre le réservoir à refroidir (S) et le circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a') et le fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique fournit (E') son froid à un circuit frigorifique auxiliaire (13, 14) dont le fluide frigorifique passe dans le réservoir à refroidir (S). 4°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le fluide frigorifique est de l'hélium ou de l'hydrogène. 5°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on puise le fluide frigorifique souillé du circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a') et on le remplace par du fluide frigorifique nouveau et/ou traité. 6°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la compression (V) du fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a') se fait en une ou plusieurs étapes. 7°) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la détente (T) du fluide frigorifique circulant dans le circuit frigorifique (2 - 8, V, T, a, a') se fait en une ou plusieurs étapes.15