Brevet FR3065065A1 — publié le 20181012

L'invention concerne un procédé de régulation de la température de flux de fluides. L'invention concerne en particulier un procédé de régulation de la température de fluide cryogénique (gaz ou liquide à une température inférieure ou 5 égale à 150K ou -123°C). L'invention concerne plus particulièrement un procédé de régulation de la température de flux de fluides au moyen d'un dispositif de régulation comprenant un réservoir contenant un bain de fluide liquéfié ayant une température de liquéfaction déterminée, un premier circuit de fluide muni d'un premier échangeur 10 immergé dans le bain de fluide, un second circuit de fluide muni d'un second échangeur immergé dans le bain de fluide. Les échangeurs de chaleur multiphasiques existent sous des formes très diverses (vapo-condenseur de colonne à distiller, condenseur, évaporateur...). Dans le cas où plusieurs flux de fluides doivent être régulés thermiquement 15 cela nécessite de multiples organes d'échange thermique (refroidissement' surchauffe, vaporisation, condensation par exemple) dont il faut maîtriser l'inertie thermique. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. 20 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'un premier fluide à refroidir ayant une température supérieure à la température du fluide du bain est mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur immergé et en ce que, simultanément, un 25 second fluide à réchauffer ayant une température inférieure à la température du fluide du bain est mis en circulation dans le second circuit de fluide et dans le second échangeur immergé. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 30 - le premier fluide mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur immergé est réchauffé et/ou au moins en partie vaporisé tandis que le second fluide mis en circulation dans le second circuit de fluide et 3065065 2 dans le second échangeur immergé est refroidi et/ou au moins en partie condensé, - le bain de fluide comprend un fluide à son point triple ou à proximité de son point triple, - le bain de fluide est à une température cryogénique et/ou comprend l'un au moins parmi : de l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures, - le premier fluide comprend au moins l'un parmi : de l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures, - le second fluide comprend au moins l'un parmi : de l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures, - le premier échangeur immergé comprend une structure en serpentin, - le second échangeur immergé comprend une structure en serpentin, - le premier circuit de fluide comprend une entrée dans le réservoir au niveau d'une première extrémité du réservoir, par exemple supérieure, et une sortie du réservoir située au niveau d'une seconde extrémité du réservoir, par exemple inférieure, - le second circuit de fluide comprend une entrée dans le réservoir cryogénique au niveau d'une extrémité du réservoir, par exemple inférieure, et une sortie du réservoir située au niveau d'une extrémité opposée du réservoir, par exemple supérieure, - les premier et second échangeurs sont imbriqués au moins en partie l'un dans l'autre ou sont adjacents, - les premier et second échangeurs sont disposés au moins en partie de 25 façon concentrique 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 : 30 -la figure 1 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif régulation de la température de plusieurs flux de fluides, 3065065 3 - la figure 2 représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant une variante de réalisation d'un autre exemple du dispositif régulation. Le dispositif 1 de régulation illustré à la figure comprend un système de stockage 2 (réservoir par exemple). Ce système de stockage contient un bain de 5 fluide 3 liquéfié ayant une température de liquéfaction déterminée. Le bain de fluide 3 peut comprendre un fluide à à une température approchant son point triple par exemple. Par exemple le bain contient de l'azote liquide à ses conditions de saturation. Bien entendu, tout autre fluide approprié pourrait être utilisé pour ce bain selon les conditions de régulation nécessaires. 10 Le dispositif 1 comprend un premier circuit de fluide qui transite dans le réservoir 2. Ce premier circuit est muni d'un premier échangeur 4 immergé dans le bain de fluide 3. Le premier circuit de fluide comprend par exemple une entrée dans le réservoir 2 au niveau d'une première extrémité du réservoir 2, par au niveau de 15 l'extrémité supérieure du réservoir 2. Après avoir échangé thermiquement dans le bain 3, le premier circuit sort du réservoir 2 via une sortie au niveau d'une seconde extrémité du réservoir 2, par exemple inférieure. Bien entendu, la position des interfaces entrées et sorties de chaque circuit peut être quelconque dans le réservoir 2. 20 Un second circuit de fluide transite également dans le réservoir 2. Ce second circuit est muni d'un second échangeur 5 immergé dans le bain de fluide 3. Le second circuit de fluide transite dans le réservoir 2 via une entrée au niveau d'une extrémité du réservoir 2, par exemple inférieure, et en sort via une sortie située au niveau d'une autre extrémité du réservoir 2, par exemple supérieure, ou en sort au niveau de la même extrémité (cf. la variante de réalisation selon la figure 2). Selon une particularité, ce même dispositif sert simultanément au refroidissement et au réchauffage de deux flux de fluide ayant des températures distinctes. Ces deux flux peuvent être constitués du même fluide (gaz pur ou mélange, ou liquide pour partie par exemple) ou de deux fluides différents. Dans le cas où les transits des deux fluides dans le bain sont orientés de façon opposée (l'un du haut vers le bas et l'autre du bas vers le haut), les refroidissements et réchauffements des deux fluides peuvent être réalisés de 3065065 4 façon optimale et peuvent permettre d'homogénéiser les transferts thermiques dans le bain 3, en limitant le gradient thermique (initialement faible) dans le réservoir 2. Plus particulièrement, un premier fluide à refroidir ayant une température 5 supérieure à la température du fluide du bain 3 est mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur 4 immergé tandis que, simultanément, un second fluide à réchauffer ayant une température inférieure à la température du fluide du bain est mis en circulation dans le second circuit de fluide et dans le second échangeur 5 immergé. 10 Ceci permet de resserrer les écarts de température entre deux circuits (un circuit de fluide relativement "froid" et un circuit de fluide relativement "chaud"). Ceci permet de limiter les pertes énergétiques entre les deux flux de fluides. Ceci permet une meilleure intégration thermique dans une installation en récupérant au mieux l'énergie de chaque fluide. Cette solution permet d'éviter la génération d'un 15 écart de température fatal à l'entrée d'un échangeur de chaleur utilisant ces deux circuits (tel qu'un échangeur en aluminium par exemple). Par exemple, le premier fluide mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur 4 vaporise au moins en partie le fluide contenu dans le bain 3 tandis que le second fluide mis en circulation dans le 20 second circuit de fluide et dans le second échangeur 5 condense au moins en partie le fluide contenu dans le bain 3. Il peut donc y avoir couplage des transferts thermiques par condensation et vaporisation d'un même fluide (ou deux fluides distincts) dans un unique récipient. Par ailleurs, les fluides contenus dans les échangeurs thermiques 4 et 5, peuvent 25 être des fluides distincts et peuvent également être sujets à des phénomènes de vaporisation ou de condensation en interne. Cette configuration permet une économie du fluide du bain qui est mutualisé tout en bénéficiant de la grande inertie thermique d'un échangeur immergé et des faibles pincements de température atteignables. 30 En effet, deux types de transfert thermique ont lieu dans ce bain : un refroidissement d'un fluide relativement plus chaud grâce à l'échange thermique avec un bain de liquide (de préférence à saturation) et, dans le même temps, un 3065065 5 réchauffement d'un fluide relativement plus froid que le liquide du bain via un canal parallèle d'échange thermique. Comme illustré, les premier 4 et/ou second 5 échangeurs immergé ont par exemple une structure en serpentin. 5 De plus, échangeurs 4, 5 peuvent être imbriqués au moins en partie l'un dans l'autre et/ou disposés de façon concentrique dans le bain. Le liquide du bain peut être de l'azote ou tout autre fluide approprié. Le premier et second fluides peuvent comprendre tout ou partie parmi : du néon, de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène ou tout autre fluide ou mélange 10 approprié. REVENDICATIONS1. Procédé de régulation de la température de flux de fluides au moyen d'un dispositif de régulation comprenant un réservoir (2) contenant un bain de fluide (3) liquéfié ayant une température de liquéfaction déterminée, un premier circuit de fluide muni d'un premier échangeur (4) immergé dans le bain de fluide (3), un second circuit de fluide muni d'un second échangeur (5) immergé dans le bain de fluide (3), le procédé étant caractérisé en ce qu'un premier fluide à refroidir ayant une température supérieure à la température du fluide du bain est mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur (4) immergé et en ce que, simultanément, un second fluide à réchauffer ayant une température inférieure à la température du fluide du bain est mis en circulation dans le second circuit de fluide et dans le second échangeur (5) immergé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide mis en circulation dans le premier circuit de fluide et dans le premier échangeur (4) vaporise au moins en partie le fluide contenu dans le bain (3) tandis que le second fluide mis en circulation dans le second circuit de fluide et dans le second échangeur (5) condense au moins en partie le fluide contenu dans le bain (3). 3. Procédé selon la revendication 1 à 2, caractérisé en ce que le bain de fluide (3) comprend un fluide à son point triple ou à proximité de son point triple. 4. Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que le bain de fluide (3) est à une température cryogénique et/ou comprend l'un au moins parmi : de l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier fluide comprend au moins l'un parmi : de l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second fluide comprend au moins l'un parmi : de 3065065 7 l'azote, oxygène, argon, hydrogène, méthane, hélium ou néon, hydrocarbures. 7. Procédé selon la revendication 1 à 6, caractérisé en ce que le premier échangeur (4) immergé comprend une structure en serpentin. 5 8. Procédé selon la revendication 1 à 7, caractérisé en ce que le second échangeur (5) immergé comprend une structure en serpentin. 9. Procédé selon la revendication 1 à 8, caractérisé en ce que le premier circuit de fluide comprend une entrée dans le réservoir (2) au niveau d'une première extrémité du réservoir (2), par exemple supérieure, et une 10 sortie du réservoir (2) située au niveau d'une seconde extrémité du réservoir (2), par exemple inférieure. 10. Procédé selon la revendication 1 à 9, caractérisé en ce que le second circuit de fluide comprend une entrée dans le réservoir (2) cryogénique au niveau d'une extrémité du réservoir (2), par exemple 15 inférieure, et une sortie du réservoir (2) située au niveau d'une extrémité opposée du réservoir (2), par exemple supérieure. 11.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les premier (4) et second (5) échangeurs sont imbriqués au moins en partie l'un dans l'autre. 20 12.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les premier (4) et second (5) échangeurs sont disposés au moins en partie de façon concentrique.