Brevet FR3057941A1 — publié le 20180427

L'invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique tel que de l'hélium. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique tel que de l'hélium, le dispositif étant destiné à refroidir un fluide cryogénique initialement à une pression supérieure à la pression atmosphérique, en particulier une pression comprise entre 1,5 et 15 bar le dispositif comprenant un circuit de réfrigération et/ou de liquéfaction de fluide ayant une extrémité amont et une extrémité aval, l'extrémité amont du circuit étant munie d'une conduite de prélèvement destinée à être raccordée à au moins un réservoir de fluide cryogénique sous pression pour récupérer du fluide cryogénique sous pression à refroidir, le circuit comprenant, disposés en série entre ses extrémités amont et aval, une pluralité d'échangeurs de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique, au moins un organe de compression, une pluralité d'organes de refroidissement du fluide cryogénique sous pression, au moins un organe de détente aval du fluide cryogénique. Pour transporter de grandes quantités d'hélium entre le lieu de production/extraction et l'utilisateur final, il est connu de liquéfier l'hélium et de le transporter dans des réservoirs isolés sous vide contenus dans des conteneurs. La température de liquéfaction de l'hélium est de 4.2K à la pression 20 atmosphérique. De nombreuses applications (principalement scientifiques et médicales) nécessitent de disposer d'hélium sous forme liquide. Ainsi, l'hélium doit rester en dessous de sa pression critique (2.2 bara) et de sa température critique 5.2K. Or, lors du transport du conteneur d'hélium entre la source de production et 25 le lieu d'utilisation, les entrées thermiques sur le conteneur provoquent une augmentation de sa pression de sorte que l'hélium devient supercritique. Arrivé à destination, le conteneur est généralement dépressurisé en utilisant le gaz sous pression pour remplir des stockages gazeux autant que possible (pour éviter le rejet d'hélium à l'atmosphère). Cette décompression est 30 réalisée au rythme de la capacité de compression et de la disponibilité des stockages gazeux (bouteilles généralement). La récupération d'hélium sous forme liquide n'est en effet possible qu'une fois la pression dans le conteneur revenue en dessous de la pression critique. 3057941 2 Cette opération de distribution s'accompagne d'un changement d'équilibre thermodynamique (« flash ») important du principalement au fait que la pression dans le conteneur est supérieure à la pression du stockage liquide (« dewar ») destiné à être rempli de liquide par le conteneur. 5 Ce flash réduit de façon importante la quantité d'hélium récupérable sous forme liquide à partir d'un conteneur. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition 10 générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la conduite de prélèvement comprend au moins un organe de détente amont du fluide cryogénique sous pression. L'invention permet ainsi notamment d'améliorer la récupération d'hélium liquide à partir d'un conteneur dont la pression est supérieure à la pression 15 critique. L'invention permet ainsi de refroidir et notamment de reliquéfier le fluide dans le conteneur sans perte d'hélium, même si le conteneur est sous pression. Actuellement, la liquéfaction, la reliquefaction ou la réfrigération de l'hélium liquide est réalisée par l'intermédiaire de machines mettant en oeuvre des cycles 20 thermodynamiques Joule-Thompson et/ou Brayton inversé, ou encore à partir de têtes froides fonctionnant suivant des cycles de Stirling, Guifford-MacMahon ou tube à gaz pulsé. Ces machines sont alimentées à partir de d'hélium à différente température allant de la saturation liquide (4,2K) jusqu'à la température ambiante mais toujours 25 à la pression atmosphérique. Il n'existe à ce jour aucun liquéfacteur/réfrigérateur qui possède la capacité de se connecter à un réservoir sous pression à froid et de tirer parti de cette pression. L'invention permet ainsi de résoudre ce problème et cette lacune. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter 30 l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'organe de détente amont de la conduite de prélèvement est configuré pour abaisser la pression du fluide cryogénique sous pression jusqu'à la pression 3057941 3 d'aspiration de l'organe de compression, par exemple une pression comprise entre 1,5 bar et la pression atmosphérique, - l'organe de détente amont de la conduite de prélèvement est configuré pour réaliser une détente de type Joule-Thomson et comprend par exemple une 5 vanne de détente, - la pluralité d'échangeurs de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique sont des échangeurs de chaleur à contre courant constituant également des organes de refroidissement du fluide cryogénique en aval de l'organe de compression, 10 - la pluralité d'organes de refroidissement du fluide cryogénique sous pression comprend au moins l'un parmi : au moins un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur tel que de l'azote, au moins une tête froide d'un refroidisseur cryogénique notamment de tube à gaz pulsé, au moins une turbine de détente du fluide cryogénique, 15 - le au moins un organe de détente aval du fluide cryogénique est situé dans la partie aval du circuit de refroidissement et comprend au moins l'un parmi : une turbine, une vanne de détente, - l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite de retour munie d'une extrémité destinée à être raccordée au réservoir de fluide cryogénique sous pression duquel a été récupéré le fluide cryogénique, pour réinjecter au moins une partie du fluide refroidi dans le circuit dans ledit réservoir, - l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite munie d'une extrémité destinée à être raccordée à un réservoir de récupération du fluide cryogénique, - le dispositif comprend une conduite de renvoi de gaz du réservoir vers la conduite de prélèvement, en aval de l'organe de détente amont et en amont de la pluralité d'échangeurs de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique, L'invention concerne également un procédé de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique tel que de l'hélium contenu dans un réservoir de fluide cryogénique initialement à une pression supérieure à la pression atmosphérique en particulier entre 1,5 et 15 bar le procédé utilisant un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction comprenant un circuit de réfrigération de fluide assurant un réchauffage du fluide, une compression du fluide, puis un 3057941 4 refroidissement et une détente du fluide comprimé, le procédé comprenant une étape de raccordement du réservoir du dispositif de réfrigération, une étape de transfert de fluide sous pression du réservoir vers le dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction, une étape de refroidissement de ce fluide dans le dispositif 5 de réfrigération et/ou de liquéfaction, le procédé comportant une étape de détente du fluide transféré du réservoir vers le dispositif avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide. Selon d'autres modes de réalisation possibles : - l'étape de détente du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de 10 compression du fluide abaisse la pression du gaz à la pression d'aspiration d'un organe de compression assurant la compression du fluide dans le dispositif, notamment une pression comprise entre 1,5 bar et la pression atmosphérique, - l'étape de détente du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide est réalisée via une vanne de détente, 15 - l'étape de détente du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide permet une baisse de la température de celui-ci, valorisée au moins en partie dans un échangeur de chaleur du circuit de réfrigération du dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction, - à l'issue de l'étape de refroidissement du fluide dans le dispositif de 20 réfrigération et/ou de liquéfaction, le procédé comprend au moins l'une des étapes suivante : une étape de renvoi du fluide refroidi dans le réservoir duquel il a été prélevé, une étape de transfert du fluide refroidi dans un réservoir distinct. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. 25 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 dispositif selon un premier exemple possible de réalisation de l'invention (boucle fermée), 30 - la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un dispositif selon un second exemple de réalisation de l'invention (boucle ouverte). 3057941 5 Le dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique représenté aux figures comprend classiquement un circuit de réfrigération et/ou de liquéfaction de fluide ayant une extrémité amont (alimentée en fluide à refroidir et/ou à liquéfier) et une extrémité aval (fournissant du fluide refroidi et/ou liquéfié). 5 Les termes « amont » et « aval » se réfèrent au sens d'écoulement du fluide dans le circuit. Par « dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction » on désigne ainsi une machine configurée pour refroidir un fluide à des températures cryogéniques et le cas échéant liquéfier ce fluide cryogénique et notamment l'hélium. Cette invention 10 peut également s'appliquer à d'autres applications (hydrogène, azote, et tous les gaz liquéfiés). L'extrémité amont du circuit est munie d'une conduite 2 de prélèvement destinée à être raccordée (de préférence de façon amovible) à au moins un réservoir 3 de fluide cryogénique sous pression (ou non) pour récupérer du fluide 15 cryogénique sous pression (ou non) à refroidir. L'hélium dans le réservoir 3 est par exemple à une pression comprise entre 1,5 et 15 bar. Cette conduite 2 de prélèvement comprend à cet effet au moins un organe 10 de détente amont du fluide cryogénique sous pression et notamment une 20 vanne de détente. Par vanne de détente on désigne une vanne cryogénique qui assure une détente de type Joule-Thompson. Cet organe 10 de détente amont de la conduite 2 de prélèvement est configuré ou piloté pour abaisser la pression du fluide cryogénique sous pression jusqu'à une pression comprise entre 1,5 bar et la pression d'aspiration du 25 compresseur, par exemple une pression de 1,05 bar. En aval de cet organe 10 de détente amont, le circuit comprend, disposés en série, une pluralité d'échangeurs 4 de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique puis un organe 5 de compression tel qu'au moins un compresseur. Par exemple, le fluide arrive à l'entrée du compresseur 5 à une pression de 1,05 30 bar et une température de 312K. Le compresseur 5 peut être un compresseur du type à vis lubrifiée et associé à un système 14 de déshuilage en sortie. Bien entendu, l'invention ne se 3057941 6 limite pas à cette forme de réalisation schématique et notamment un ou plusieurs compresseurs de tout type approprié peuvent être utilisés. En aval de l'organe 5 de compression le circuit comporte plusieurs organes 4, 7 de refroidissement et/ou de détente du fluide cryogénique sous pression. 5 Par exemple, plusieurs échangeurs de refroidissement 4 peuvent être alternés avec des refroidisseurs 7. Les échangeurs 4 de refroidissement peuvent être constitués par exemple des échangeurs de réchauffage utilisés à contre-courant. Les refroidisseurs 7 peuvent comprendre des boucles de refroidissement à 10 l'azote, des têtes froides de cryo-refroidisseurs (« cryocooler ») ou tout élément approprié (une tête froide d'un refroidisseur cryogénique notamment de tube à gaz pulsé, au moins une turbine de détente du fluide cryogénique...). En aval (par exemple entre les deux derniers échangeurs 4), le circuit peut comprendre un organe 8 de détente aval du fluide cryogénique, par exemple une 15 vanne de détente. En aval, l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite 13 de retour munie d'une extrémité destinée à être raccordée (de préférence de façon amovible) au réservoir 3 pour y réinjecter au moins une partie du fluide refroidi/liquéfié. C'est-à-dire que le circuit de refroidissement est du type 20 fermé. La pression est ainsi réduite dans le réservoir 3. Dans la variante de la figure 2, l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite 13 munie d'une extrémité destinée à être raccordée à un réservoir 11 distinct, par exemple un réservoir tampon destiné à alimenter d'autres applications réceptrices de liquide par exemple. C'est-à-dire que le circuit est du 25 type à boucle ouverte. Comme représenté à la figure 2, une conduite 12 de transfert peut être prévue pour transférer du gaz (de vaporisation) de réservoir 11 de récupération vers la conduite 2 de prélèvement (par exemple en aval de l'organe 10 de détente amont et en amont de la pluralité d'échangeurs 4 de réchauffage). Cette conduite 30 12 de transfert peut notamment comporter une vanne (non représentée), notamment une vanne de détente. Dans les deux modes de réalisation des figures 1 et 2, le fluide cryogénique (hélium par exemple) qui entre dans le réfrigérateur/liquéfacteur est ainsi détendu 3057941 7 (de préférence au travers d'une vanne pour une détente de type Joule-Thomson) avant d'être réchauffé à basse pression (à la pression d'aspiration du compresseur, par exemple 1,05bar) dans une série d'échangeurs 4 à contre-courant. 5 La baisse de température du fluide due à l'effet de sa détente (vanne 10) à l'entrée du réfrigérateur/liquéfacteur peut ainsi être avantageusement valorisée dans un échangeur 4 contre-courant du circuit. Ces frigories peuvent ainsi être transférées au fluide à haute pression avant sa réinjection dans le réservoir 3 source (figure 1) ou son transfert vers un réservoir 11 distinct (figure 2). 10 Dans les exemples représentés le circuit du dispositif de réfrigération et/ou liquéfaction réalise un cycle thermodynamique de type Joule-Thompson cependant, bien entendu, tout autre type de circuit thermodynamique peut être utilisé. Par exemple le dispositif peut utiliser un cycle Claude. REVENDICATIONS1. Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique tel que de l'hélium, le dispositif étant destiné à refroidir un fluide cryogénique initialement à une pression supérieure à la pression atmosphérique, en particulier une pression comprise entre 1,5 et 15 bar le dispositif (1) comprenant un circuit de réfrigération et/ou de liquéfaction de fluide ayant une extrémité amont et une extrémité aval, l'extrémité amont du circuit étant munie d'une conduite (2) de prélèvement destinée à être raccordée à au moins un réservoir (3) de fluide cryogénique sous pression pour récupérer du fluide cryogénique sous pression à refroidir, le circuit comprenant, disposés en série entre ses extrémités amont et aval, une pluralité d'échangeurs (4) de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique, au moins un organe (5) de compression, une pluralité d'organes (4, 7) de refroidissement du fluide cryogénique sous pression, au moins un organe (8) de détente aval du fluide cryogénique, caractérisé en ce que la conduite (2) de prélèvement comprend au moins un organe (10) de détente amont du fluide cryogénique sous pression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe (10) de détente amont de la conduite (2) de prélèvement est configuré pour abaisser la pression du fluide cryogénique sous pression jusqu'à la pression d'aspiration de l'organe (5) de compression, par exemple une pression comprise entre 1,5 bar et la pression atmosphérique. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'organe (10) de détente amont de la conduite (2) de prélèvement est configuré pour réalise une détente de type Joule-Thomson et comprend par exemple une vanne de détente. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pluralité d'échangeurs (4) de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique sont des échangeurs de chaleurs à contre courant constituant également des organes de refroidissement du fluide cryogénique en aval de l'organe (5) de compression. 305 7 9 4 1 9 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pluralité d'organes ( 7) de refroidissement du fluide cryogénique sous pression comprend au moins l'un parmi : au moins un échangeur de chaleur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur tel que de 5 l'azote, au moins une tête froide d'un refroidisseur cryogénique notamment de tube à gaz pulsé, au moins une turbine de détente du fluide cryogénique. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le au moins un organe (8) de détente aval du fluide cryogénique est situé dans la partie aval du circuit de refroidissement et 10 comprend au moins l'un parmi : une turbine, une vanne de détente. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite (13) de retour munie d'une extrémité destinée à être raccordée au réservoir (3) de fluide cryogénique sous pression duquel a été récupéré le 15 fluide cryogénique, pour réinjecter au moins une partie du fluide refroidi dans le circuit dans ledit réservoir (3). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'extrémité aval du circuit de refroidissement comprend une conduite (13) munie d'une extrémité destinée à être raccordée à un 20 réservoir (11) de récupération du fluide cryogénique. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite (12) de renvoi de gaz du réservoir (11) vers la conduite (2) de prélèvement, en aval de l'organe (10) de détente amont et en amont de la pluralité d'échangeurs (4) de chaleur de réchauffage du fluide cryogénique. 25 10. Procédé de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide cryogénique tel que de l'hélium contenu dans un réservoir (3) de fluide cryogénique initialement à une pression supérieure à la pression atmosphérique en particulier entre 1,5 et 15 bar le procédé utilisant un dispositif (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction comprenant un circuit de réfrigération de 30 fluide assurant un réchauffage du fluide, une compression du fluide, puis un refroidissement et une détente du fluide comprimé, le procédé comprenant une étape de raccordement (2) du réservoir (3) au dispositif de réfrigération, une étape de transfert de fluide sous pression du réservoir (3) vers le 3057941 10 dispositif (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction, une étape de refroidissement de ce fluide dans le dispositif (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte un étape de détente (10) du fluide transféré du réservoir (3) vers le dispositif (1) avant les 5 étapes de réchauffage et de compression du fluide. 11.Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'étape de détente (10) du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide abaisse la pression du gaz à la pression d'aspiration d'un organe de compression assurant la compression du fluide dans le 10 dispositif (1), notamment une pression comprise entre 1,5 bar et la pression atmosphérique. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de détente (10) du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide est réalisée via une vanne (10) de détente. 15 13.Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'étape de détente (10) du fluide réalisée avant les étapes de réchauffage et de compression du fluide permet une baisse de la température de celui-ci, valorisée au moins en partie dans un échangeur (4) de chaleur du circuit de réfrigération du dispositif (1) de réfrigération et/ou de 20 liquéfaction. 14.Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que, à l'issue de l'étape de refroidissement du fluide dans le dispositif (1) de réfrigération et/ou de liquéfaction, le procédé comprend au moins l'une des étapes suivante : une étape de renvoi du fluide refroidi dans 25 le réservoir (3) duquel il a été prélevé, une étape de transfert du fluide refroidi dans un réservoir (11) distinct.