Brevet FR3098574A1 — publié le 20210115

Description Titre de l'invention : Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction [0001] L'invention concerne un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction de type cryogénique. [0002] L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou de li- quéfaction de type cryogénique comprenant un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant en série: un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffage du fluide de travail. [0003] Les dispositifs de réfrigération et/ou de liquéfaction de type cryogénique comportent généralement une ou plusieurs turbines de détente du gaz de travail. [0004] Généralement les turbines à gaz sont montées sur le même arbre qu'une roue de com- presseur, afin de lui transmettre un couple mécanique utile, ou sur un arbre qui comprend une roue de freinage située à l'extrémité de l'arbre opposée à la turbine. [0005] Une telle roue de freinage assure le freinage de la rotation de l'arbre tournant sur lequel est installée la turbine. Cette roue de freinage est généralement située clans un circuit fermé de gaz de freinage qui est. comprimé dans la roue, puis refroidit dans un échangeur maintenu en froid par une source froide puis détendue (par exemple dans une vanne de détente). Préférentiellement, ce gaz circulant clans le circuit de freinage peut être identique au fluide de travail côté turbine de détente. [0006] Cette solution augmente l'encombrement et le coût de l'installation. Il faut en effet prévoir des parties chaudes (circuit de freinage pour la roue de freinage) au plus près des parties à températures cryogéniques (circuit de travail) et gérer l'approvisionnement constant en source froide (préférentiellement proche de la température ambiante) côté circuit de freinage [0007] Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. [0008] A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le mécanisme de détente comprend deux turbines de détente de type centripète montées respectivement aux deux extrémités d'un même arbre, les deux turbines ayant des aubages orientés de façon opposée selon la direction de l'arbre. [0009] Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : [0010] - le circuit de travail comprend un mécanisme de compression du fluide de travail disposé en série et en amont du mécanisme de refroidissement, [0011] - le gaz de travail est admis dans les deux turbines selon une direction transversale à 2 l'arbre qui les porte, les flux de gaz détendus dans les turbines étant évacués de chaque turbine dans des directions opposées sensiblement parallèles à l'arbre, [0012] - les deux turbines sont disposées en série dans le circuit de travail, de manière directe c'est-à-dire sans échange de chaleur intermédiaire en vue de refroidir ou réchauffer le fluide de travail entre les deux turbines, [0013] - les deux turbines sont disposées en série dans le circuit de travail et comportent un système d'échange de chaleur intermédiaire en vue de refroidir et/ou réchauffer le fluide de travail entre les deux turbines, [0014] - les deux turbines sont disposées en parallèle dans le circuit de travail, [0015] - le dispositif comprend un système de freinage de la rotation de l'arbre portant les deux turbines, [0016] - le système de freinage est du type inductif et comprend une bobine coopérant avec l'arbre via la génération de courants induits, [0017] - le système de freinage est situé dans la partie centrale dc l'arbre, c'est-à-dire entre les deux turbines, [0018] - le système de freinage comprend un alternateur de type fonctionnant à température ambiante ou fonctionnant à température froide cryogénique, [0019] - l'arbre tournant est sustenté par un système à roulements ou paliers notamment du type magnétique, à gaz ou à huile, [0020] - le dispositif comporte un circuit de fluide à refroidir en échange thermique avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail. [0021] L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications. [0022] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci- après, faite en référence aux figures dans lesquelles : [0023] [fig.1] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonc- tionnement d'un exemple possible de dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction pouvant mettre en oeuvre l'invention, [0024] [fig.2] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail d'un tel dispositif et en particulier l'agencement de deux turbines sur un même arbre. [0025] Le dispositif 1 de réfrigération et/ou de liquéfaction illustré à titre d'exemple non limitatif est un du type cryogénique. C'est-à-dire que le dispositif de réfrigération refroidit un gaz de travail à basse température comprise entre -100°C et -273°C notamment. [0026] Le circuit 2 de travail contient un fluide de travail notamment au moins l'un parmi : de l'hydrogène, de l'hélium, de l'azote, de l'oxygène, du monoxyde de carbone, du dioxyde de carbone ou du méthane par exemple. 3 [0027] Le dispositif 1 peut être utilisé pour extraire de la chaleur à au moins un organe ou fluide 3 par échange de chaleur (direct ou indirect) avec le fluide de travail circulant dans le circuit 2 de travail. [0028] Le circuit 2 de travail qui peut être ouvert (c'est-à-dire qu'il y apport de fluide de travail dans le circuit 2 et prélèvement de fluide de travail vers l'extérieur du circuit 2) ou fermé (fluide de travail en cycle fermé). Dans l'exemple illustré le circuit 2 de travail est du type fermé et comprend en série: un mécanisme de compression 4 du fluide de travail, un mécanisme 5, 6 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente 7 du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement 6 du fluide de travail en vue de recommencer le cycle (compression, refroidissement, détente...). [0029] Le mécanisme de compression est facultatif car le fluide de travail peut être disponible ou fourni déjà pressurisé ou comprimé. [0030] Le mécanisme de compression 4 comprend par exemple un ou plusieurs étages de compression assurés par un ou plusieurs étages de compression volumétrique par exemple et/ou par des roues de compresseurs, par exemple de type centrifuge. Dans l'exemple illustré, deux compresseurs 4 sont disposés en série. De plus un échangeur 5 de refroidissement peut être disposé à la sortie de l'un ou de chaque compresseur 4. Par exemple, la compression du fluide de travail est de préférence isentropique ou sensiblement isentropique (ou isotherme). [0031] Le gaz comprimé et refroidi peut être ensuite détendu dans une pluralité de turbines 7 en série et/ou en parallèle. Par exemple, la détente est de préférence isentropique (ou isotherme). Ainsi, entre deux étages de détente, le fluide de travail peut être réchauffé, ou refroidi suivant l'architecture du procédé préférée, par un ou des échangeurs 6 qui échangent à contre-courant avec le fluide de travail qui revient vers le mécanisme de compression. Le réchauffage ou le refroidissement inter-étages de détente est de préférence isobare ou sensiblement isobare. [0032] Le fluide de travail froid peut en effet être ensuite réchauffé dans ces échangeurs 6 avant de revenir dans le mécanisme de compression pour recommencer un cycle. [0033] Du gaz à refroidir (et/ou du gaz qui doit être liquéfié) peut être mis en échange thermique dans un circuit 12 avec les échangeurs 6 jusqu'à une température cible, et peut par exemple être liquéfié et récupéré dans un stockage 11. [0034] En variante ou en combinaison, du gaz de travail peut lui-même être liquéfié et stocké dans un récipient en vue de refroidir un appareil et/ou en vue d'approvisionner en gaz liquéfié des utilisateurs. [0035] Selon l'invention, le mécanisme de détente comprend deux turbines 7 de détente de type centripète montées respectivement aux deux extrémités d'un même arbre 8. Ces deux turbines 7 ont des aubages 9 orientés de façon opposés selon la direction de l'arbre 8. [0036] Classiquement l'arbre 8 est monté ou sustenté sur des paliers 10, notamment du type magnétique, à gaz ou à huile ou autre. [0037] C'est-à-dire que le mécanisme de détente comprend au moins deux turbines 7 montées aux deux extrémités d'un même arbre 8 et qui assurent chacune une détente d'au moins une partie dc gaz de travail. [0038] Cet agencement permet de remplacer une roue dc freinage par une turbine 7 supplé- mentaire qui vient améliorer le rendement de l'installation en augmentant le nombre de turbines d'une même installation. La capacité de l'installation est augmentée sans augmenter son encombrement. [0039] Le dispositif 1 peut comporter plusieurs paires dc turbines 7 montées sur les deux ex- trémités d'arbres 8 respectifs. [0040] Ainsi, par rapport à une architecture classique, l'invention permet d'ajouter des turbines 7 supplémentaires. Dans l'exemple illustré, par exemple les turbines 7 entourées de pointillés peuvent être des turbines supplémentaires permises par cette nouvelle architecture. [0041] Les deux turbines 7 portés par un même arbre 8 peuvent être disposées en série dans le circuit 2 de travail, c'est-à-dire que les deux turbines 7 en série assurent la détente successive d'un même flux de gaz. Dans cet arrangement, le rendement énergétique dc l'usine de production intégrant ce dispositif augmenterait pour un coût d'investissement quasi-inchangé. Les deux roues de turbines pourraient être arrangées de manière à intégrer un réchauffage intermédiaire, afin d'obtenir une température égale à l'admission de ces deux étages de détente et donc d'homogénéiser les dimensionnements des roues. [0042] En variante ou en combinaison, deux turbines 7 portées par un même arbre 8 peuvent être disposées en parallèle dans le circuit 2 de travail, c'est-à-dire que les deux turbines 7 en parallèle assurent la détente de deux portions distinctes d'un flux de gaz de travail (cf par exemple les dérivations du circuit 2 de travail). Dans cet arrangement, la taille unitaire des turbines 7 pourrait être réduite, car les deux roues de turbines 7 se répartissent dans ce cas chacune une fraction (par exemple 50%) du débit total de fluide à traiter. [0043] Ainsi, les efforts axiaux et radiaux de l'arbre 8 muni des deux turbines peuvent se compensent grâce à des configurations symétriques des deux turbines par rapport au milieu de l'arbre 8. [0044] L'agencement permet notamment, pour des unités de très fortes capacités, d'améliorer la faisabilité des procédés thermodynamiques. [0045] Bien entendu, le dispositif 1 peut comporter d'autres turbines 7 agencées clas- siquement (sur le même arbre qu'une roue de compresseur ou sur le même arbre qu'une roue de freinage). [0046] Comme illustré à la [fig.2], les deux turbines 7 sont des turbines du type centripète. Comme symbolisé par des flèches, le gaz de travail à détendre est admis dans chaque turbine 7 à la périphérie de la turbine 7 grâce à un organe directif (aubage(s) mobile(s) ou fixe(s) par exemple) Le gaz de travail peut être admis dans les turbines notamment selon une direction qui peut être transversale à l'arbre 8 qui porte les turbines (c'est-à-dire radialement). Le gaz détendu dans chaque turbine 7 peut être évacué dans la partie centrale de la turbine 7 et vers l'extérieur de l'arbre 8. C'est-à-dire que les flux de gaz détendus sont évacués dans des directions opposées sensiblement parallèles à l'arbre 8. [0047] Les aubages 9 des deux turbines 7 (c'est-à-dire les aubes qui guident le flux de gaz) sont avantageusement inclinés dans des sens opposés (évacuation opposées des gaz détendus), pour permettre une détente quasi isentropique pour chaque roue et pour assurer un équilibre des efforts ne générant pas d'efforts parasites, lesquels efforts devraient être compensés par le système sélectionné de paliers. Par exemple, les deux turbines 7 peuvent être identiques ou de géométries similaires mais disposées de façon antisymétrique par rapport à un plan médian transversal à l'arbre 8. [0048] Le dispositif comprend de préférence un système 9 de freinage de la rotation de l'arbre 8 portant les deux turbines 7 de détente. Cc système de freinage peut être du type inductif avec une bobine montée autour de l'arbre et permettant de freiner l'arbre 8 via la génération de courants induits. Ce freinage peut notamment être contrôlé en contrôlant le courant alimentant la ou les bobines inductives. La rotation de l'arbre (en matériau approprié métallique ou autre) génère des courants induits qui tendent à freiner ce dernier. [0049] Ce système de freinage peut être situé avantageusement dans la partie centrale de l'arbre 8, c'est-à-dire entre les deux turbines 7. [0050] Par exemple, le système de freinage peut comprendre ou être constitué d'un al- ternateur disposé par exemple en partie centrale de l'arbre et qui fonctionne à température ambiante ou qui fonctionne à température cryogénique. [0051] Dans le dernier cas, tout l'arbre 8 peut fonctionner sous une température cryogénique, de même que ses parties statiques (stator comportant les électro aimants) Dans ce cas il n'y a pas de parties ou pièces relativement chaudes proches des éléments à température cryogénique. [0052] Ainsi, tout l'environnement proche de ces turbines est également à une température cryogénique. Ceci limite ou supprime les possibles rayonnements et/ou conductions d'une zone chaude vers les zones froides. Le rendement réel des turbines est donc amélioré car les pertes thermiques parasites sont réduites ou supprimées. [0053] Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit ci-dessus. 6 [0054] Ainsi, dans un mode de réalisation l'arbre pourrait entraîner plus de deux roues de turbines. Les organes statiques de conversion d'énergie cinétique en énergie potentielle de pression peuvent être disposés de façon approprié en sortie de chaque roue. [0055] En disposant de façon appropriée. Par exemple, des longs diffuseurs peuvent être disposés en sortie de chaque roue de turbine pour cette fonction. Par exemple on peut prévoir une pièce mécanique usinée qui permet d'avoir la même fonction (augmentation de la section de passage progressive) et qui permet également d'amener l'écoulement jusqu'au prochain distributeur de la prochaine turbine en série. 7 REVENDICATIONS[Revendication I] Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction de type cryogénique comprenant un circuit (2) de travail contenant un fluide de travail, le circuit (2) de travail comprenant en série: un mécanisme (5, 6) de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente (7) du fluide de travail et un mécanisme de réchauffage (6) du fluide de travail, dans lequel le mécanisme de détente comprend deux turbines (7) de détente de type centripète montées respectivement aux deux extrémités d'un même arbre (8), les deux turbines (7) ayant des aubages (9) orientés de façon opposée selon la direction de l'arbre (8). [Revendication 2] Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (2) de travail comprend un mécanisme de compression (4) du fluide de travail disposé en série et en amont du mécanisme (5, 6) de refroidissement. [Revendication 3] Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz de travail est admis dans les deux turbines (7) selon une direction transversale à l'arbre (8) qui les porte, les flux de gaz détendus dans les turbines (7) étant évacués de chaque turbine (7) dans des directions opposées sensiblement parallèles à l'arbre (8). [Revendication 4] Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les deux turbines (7) sont disposées en série dans le circuit (2) de travail, de manière directe c'est-à-dire sans échange de chaleur intermédiaire en vue de refroidir ou réchauffer le fluide de travail entre les deux turbines (7). [Revendication 5] Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce que les deux turbines (7) sont disposées en série dans le circuit (2) de travail et comportent un système d'échange de chaleur intermédiaire en vue de refroidir et/ou réchauffer le fluide de travail entre les deux turbines (7). [Revendication 6] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux turbines (7) sont disposées en parallèle dans le circuit (2) de travail. [Revendication 7] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un système (9) de freinage de la rotation de l'arbre (8) portant les deux turbines (7). [Revendication 8] Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système (9) de freinage est du type inductif et comprend une bobine coopérant avec l'arbre (8) via la génération de courants induits. 8 [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 8, caractérisé en cc que le système (9) de freinage est situé dans la partie centrale de l'arbre (8), c'est-à-dire entre les deux turbines (7). Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en cc que le système (9) de freinage comprend un alternateur de type fonctionnant à température ambiante ou fonctionnant à température froide cryogénique. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en cc que l'arbre tournant (8) est sustenté par un système à roulements ou paliers (10), notamment du type magnétique, à gaz ou à huile. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en cc qu'il comporte un circuit (11, 12) de fluide à refroidir en échange thermique avec le fluide de travail circulant dans le circuit (2) de travail.