Brevet FR3122707A1 — publié le 20221111

Appareil (1) de compression de fluide cryogénique comprenant au moins un piston (5) et au moins une chemise (14) délimitant au moins une chambre (3) de compression, la au moins une chambre (3) de compression étant logée dans une enceinte (13) étanche contenant un bain (16) de fluide cryogénique liquéfié, l’appareil (1) comprenant un arbre (15) mobile en translation selon un axe (A) longitudinal, l’arbre (15) possédant une partie dans l’enceinte (13) relié au(x) piston(s) ou chemise(s) et étant mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la au moins une chambre (3) de compression en déplaçant relativement le au moins un piston (5) et la au moins une chemise (14), l’appareil (1) comprenant un système (2) d’admission communiquant avec la au moins une chambre (3) de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre (3) de compression et un système (7, 11) d’évacuation communiquant avec la chambre (3) de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé, le système d’évacuation comprenant une conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé vers une sortie de l’appareil (1) en dehors de l’enceinte (13), l’appareil comprenant en outre une conduite (8) de collecte de fluide provenant de fuite(s) de la au moins une chambre (3) de compression et/ou de fluide vaporisé dans l’enceinte (13), la conduite (8) de collecte comprenant une portion de refroidissement du fluide comprimé par en échange thermique entre au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite (8) de collecte et au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé. Figure de l’abrégé : Fig. 1 Appareil et procédé de compression de fluide cryogénique. L’invention concerne un appareil et un procédé de compression de fluide cryogénique. L’invention concerne plus particulièrement un appareil de compression de fluide cryogénique à au moins un étage de compression comprenant au moins un piston et au moins une chemise délimitant au moins une chambre de compression, la au moins une chambre de compression étant logée dans une enceinte étanche contenant un bain de fluide cryogénique liquéfié, l’appareil comprenant un arbre mobile en translation selon un axe longitudinal, l’arbre possédant une partie dans l’enceinte relié au(x) piston(s) ou chemise(s) et une partie hors de l’enceinte reliée à un organe moteur, l’arbre étant mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la au moins une chambre de compression en déplaçant relativement le au moins un piston et la au moins une chemise, l’appareil comprenant un système d’admission communiquant avec la au moins une chambre de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre de compression et un système d’évacuation communiquant avec la chambre de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé, le système d’évacuation comprenant une conduite d’évacuation du fluide comprimé vers une sortie de l’appareil en dehors de l’enceinte, l’appareil comprenant en outre une conduite de collecte de fluide provenant de fuite(s) de la au moins une chambre de compression et/ou de fluide vaporisé dans l’enceinte. Les pompes à piston(s) pour des liquides cryogéniques sont généralement conçues pour limiter les entrées thermiques externes et pour faciliter le plus possible l’admission du liquide dans la chambre de compression à faible perte de charge d'entrée (« NPSH » pour « Net Positive Suction Head » en anglais). Les pompes doivent par ailleurs évacuer la chaleur de compression le plus rapidement possible afin d’optimiser le rendement. Une façon de le réaliser est l’architecture utilisant une pompe immergée, c’est-à-dire que la chambre de compression est placée dans un bain du même liquide cryogénique qui est à pomper. La chaleur de compression est alors évacuée dans le bain par le biais du réchauffement et de la vaporisation du liquide du bain. Le bain doit être alimenter en liquide pour compenser les pertes par évaporation ainsi que le prélèvement du débit pompé. Ce débit pompé sous pression doit donc traverser le bain de liquide pour sortir du système de pompage. Ceci est en général réalisé par une conduite d’évacuation. La compression par un ensemble piston et chemise se rapproche d’une transformation adiabatique. La plus grande partie de l’énergie se trouve donc dans le fluide, dont une bonne partie dans la thermique. Les températures de sortie (fluide pompé) peuvent être élevées par rapport à la température du bain. Lors du passage à travers le bain, de l’énergie thermique est transférée au bain ce qui provoque une augmentation du débit évaporé. Un deuxième flux de fluide est généralement à évacuer de la chambre de compression vers l’extérieur à travers le bain. Ce flux peut comprendre les fuites collectées, par exemple sur les joints du piston de compression. Ce débit de fuite se trouve proche de la pression du bain mais à température plus élevé, ce qui rajoute une deuxième source d’évaporation du liquide du bain. Ainsi, on évite généralement l’évacuation de ce flux dans le bain afin de limiter l’évaporation. Une collecte (et évacuation) est donc nécessaire. Le débit évaporé représente dans la majorité des cas une perte, car des systèmes de recondensation ne sont pas toujours disponibles et uniquement le liquide peut être pompé. Le débit d’évaporation supplémentaire dû à ces phénomènes est généralement intégré dans les consommations du fonctionnement de la pompe. Or cela n’est pas une solution viable dès que le débit pompé n’a pas de forte valeur ajoutée où les quantités commencent à être importantes. Une solution consisterait à mieux isoler, par exemple sous vide, les conduites traversant le bain. Or cette solution pose de nombreux problèmes de conception, de coût, de fiabilité et de maintenance. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, l’appareil selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la conduite de collecte comprend une portion de refroidissement du fluide comprimé par en échange thermique entre au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite de collecte et au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite d’évacuation du fluide comprimé. Cette configuration permet de minimiser la quantité de liquide évaporé dans l’appareil tout en conservant une structure simple, fiable et à moindre coût. Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : la portion de refroidissement comprend un agencement de la conduite de collecte autour de la conduite d’évacuation du fluide comprimé, la portion de refroidissement comprend une disposition concentrique de la conduite de collecte autour de la conduite d’évacuation du fluide comprimé, c’est-à-dire que le fluide de fuite transporté dans la conduite de collecte forme un écran thermique autour de sur au moins une partie de la conduite d’évacuation de fluide, la portion de refroidissement est située au moins en partie dans l’enceinte étanche, la portion de refroidissement est située au moins en partie dans le bain (16) de l’enceinte étanche, la conduite de collecte et la conduite d’évacuation du fluide comprimé sont logées dans l’un au moins parmi : le corps de l’arbre, le corps de la chemise, une gaine de guidage disposée autour de l’arbre. L’invention concerne également un procédé de de compression de fluide cryogénique, notamment d’hydrogène liquéfié, utilisant un appareil de compression à au moins un étage de compression et ayant au moins un piston et au moins une chemise délimitant au moins une chambre de compression, la au moins une chambre de compression étant logée dans une enceinte étanche contenant un bain de fluide cryogénique liquéfié, l’appareil comprenant un arbre mobile en translation selon un axe longitudinal, l’arbre possédant une partie dans l’enceinte relié au(x) piston(s) ou chemise(s) et une partie hors de l’enceinte reliée à un organe moteur, l’arbre étant mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la au moins une chambre de compression en déplaçant relativement le au moins un piston et la au moins une chemise, l’appareil comprenant un système d’admission communiquant avec la au moins une chambre de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre de compression et un système d’évacuation communiquant avec la chambre de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé, le système d’évacuation comprenant une conduite d’évacuation du fluide comprimé vers une sortie de l’appareil en dehors de l’enceinte, le procédé étant comprenant une étape de d’échange thermique entre au moins une partie du fluide circulant dans la conduite d’évacuation du fluide comprimé et du fluide vaporisé collecté dans l’enceinte. 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. D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d’un premier exemple de réalisation de l’invention, représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, illustrant la structure et le fonctionnement d’un deuxième exemple de réalisation de l’invention. L’appareil 1 de compression de fluide cryogénique illustré schématiquement à titre d’exemple est du type à un étage de compression. Bien entendu, l’invention peut s’appliquer à des pompes à plusieurs étages de compression. L’appareil 1 comprend un piston 5 monté au bout d’un arbre 15. Le piston 5 est monté de façon étanche dans une chemise 14 via un ensemble de joints 12 pour délimiter une chambre 3 de compression. La chambre 3 de compression est logée dans une enceinte 13 étanche contenant un bain 16 de fluide cryogénique liquéfié (de préférence le fluide destiné à être pompé). L’arbre 15 est mobile en translation selon un axe A longitudinal. L’arbre 15 peut posséder une partie froide dans l’enceinte 13 solidaire du piston 3 et une partie plus chaude située hors de l’enceinte 13 et reliée à un organe 21 moteur assurant les mouvements. L’enceinte 13 et l’arbre 15 (y compris sa partie relativement plus chaude) peuvent être logés dans un carter extérieur qui peut être étanche et sous vide (l’organe 21 moteur étant quant à lui par exemple extérieur au carter). L’arbre 15 est mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la chambre 3 de compression en déplaçant le piston 5 dans la chemise 14. Classiquement, l’appareil 1 comprenant un système 2 d’admission communiquant avec la chambre 3 de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre 3 de compression. Le système 2 d’admission peut comprendre par exemple au moins l’un parmi : un ou plusieurs clapets anti-retour, un ou plusieurs orifices ou lumière(s), au moins un clapet à disque plat ou tout autre dispositif ou vanne permettant l’entrée de fluide à comprimer dans la chambre 3 de compression lors d’une phase d’admission et empêchant la sortie de fluide en phase de compression. L’appareil comprend également un système 7, 11 d’évacuation communiquant avec la chambre 3 de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé. Le système 7, 11 d’évacuation comprend un orifice 7 d’évacuation configuré pour permettre la sortie de fluide comprimé de la chambre 3 de compression et une conduite 11 d’évacuation du fluide comprimé. L’orifice 7 d’évacuation peut être pourvu d’un système anti-retour qui peut être du même type que celui du système 2 d’admission (par exemple fermé tant que le différentiel de pression entre la chambre 3 de compression et l’extérieur est inférieur à un seuil déterminé). La conduite 11 d’évacuation a une extrémité située dans l’enceinte 13 et une extrémité à l’extérieur pour évacuer le fluide comprimé vers une sortie de l’appareil 1. L’appareil 1 comprend en outre une conduite 8 de collecte de fuites de fluide, par exemple des fuites issues de la chambre 3 de compression. Par exemple, cette conduite 8 de collecte est en communication à une extrémité amont avec la partie de la chemise située à l’arrière du piston (du côté du piston 5 opposé à la chambre 3 de compression) pour recueillir les éventuelles fuites au niveau des joints statiques et/ou dynamiques (segments 12 de piston 5 par exemple). La conduite 8 de collecte comprend donc une première extrémité située dans l’enceinte 13 et une seconde extrémité située en dehors de l’enceinte 13 vers une zone d’évacuation ou de recyclage de ce gaz. Selon une particularité avantageuse, la conduite 8 de collecte comprend une portion de refroidissement du fluide comprimé par en échange thermique (de préférence indirect) entre au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite 8 de collecte et au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite 11 d’évacuation du fluide comprimé. Comme illustré, le débit de fluide de fuite peut former ainsi un écran thermique pour le débit pompé. Ceci peut facilement être réalisé via un agencement de conduites 11, 8 concentriques. C’est-à-dire que la conduite 8 de collecte peut être disposée autour, de préférence concentriquement, de la conduite 11 d’évacuation du fluide comprimé. Le fluide de fuite forme un flux de refroidissement autour de la conduite 11 d’évacuation. De préférence, cet agencement l’une 8 des conduites autour de l’autre 11 se poursuit en dehors du bain 16 dans la partie gazeuse supérieure de l’enceinte 13 et à travers l’isolation. Ceci permet de réduire le nombre de traversées étanches de l’enceinte 13. Dans une pompe à hydrogène très haute pression typique de l’art antérieur, le débit pompé échange typiquement environ 150W de chaleur avec le bain 16, le débit de fuite échange quant à lui environ 50W avec le bain 16. Ceci représente plus que 30 litres de liquide qui sont perdus toutes les heures. Avec l’agencement décrit ci-dessus, le débit pompé cède moins de chaleur vers le bain 16. Le flux de fluide fuite est donc simultanément refroidi par le bain 16 et réchauffé par le débit pompé évacué. Les flux thermiques vers le bain s’équilibrent à environ 90W, ce qui représente une économie de plus de 50% en débit évaporé. Des mesures ou simulations montrent que le flux de fluide de fuite échange la chaleur bien moins efficacement que le bain (environ avec un facteur deux de résistance), les parois (avec facteur six) ou le flux pompé (résistance thermique environ 20 fois plus grande). De ce fait, le flux de fluide de fuite forme un écran efficace limitant le transfert de calories du flux comprimé vers le bain 16. Cet effet peut être renforcé en plus par le choix d’un diamètre hydraulique relativement important pour ce flux de fluide fuite, ce qui diminue la vitesse d’écoulement et donc les coefficients d’échange à la paroi de la conduite 8 avec le bain 16. Comme illustré à la , dans une autre configuration possible, les flux de fluide comprimé et de fuite (conduites 8, 11) peuvent être intégrés dans le corps de l’appareil (notamment dans la tige ou arbre 15 mobile du piston 5 et/ou dans une gaine de guidage qui abrite l’ensemble tige et piston). Dans ce cas, le transfert de chaleur vers le bain est limité en plus par la résistance thermique du corps de la pompe. Comme précédemment, l’évaporation du liquide du bain est diminuée par rapport à l’art antérieur. Ainsi, l’agencement permet un écrantage thermique du débit du fluide comprimé grâce le flux de fuite collecté. Ceci peut être obtenu également ou alternativement avec toute autre sortie de vapeur ou gaz du bain. Par exemple, l’appareil 1 peut comprendre une conduite de collecte de gaz de vaporisation généré au sein de l’enceinte 13. Cette conduite de collecte de gaz de vaporisation peut comprend une première extrémité située dans l’enceinte 13 (par exemple en partie supérieure au-dessus de la phase liquide) et une seconde extrémité située en dehors de l’enceinte 13 (en vue d’un recyclage par exemple). L’invention peut s’appliquer notamment à des appareils de pompage d’hydrogène ou hélium liquéfiés ou tout autre fluide ou mélange cryogénique. Appareil (1) de compression de fluide cryogénique à au moins un étage de compression comprenant au moins un piston (5) et au moins une chemise (14) délimitant au moins une chambre (3) de compression, la au moins une chambre (3) de compression étant logée dans une enceinte (13) étanche contenant un bain (16) de fluide cryogénique liquéfié, l’appareil (1) comprenant un arbre (15) mobile en translation selon un axe (A) longitudinal, l’arbre (15) possédant une partie dans l’enceinte (13) relié au(x) piston(s) ou chemise(s) et une partie hors de l’enceinte (13) reliée à un organe (21) moteur, l’arbre (15) étant mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la au moins une chambre (3) de compression en déplaçant relativement le au moins un piston (5) et la au moins une chemise (14), l’appareil (1) comprenant un système (2) d’admission communiquant avec la au moins une chambre (3) de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre (3) de compression et un système (7, 11) d’évacuation communiquant avec la chambre (3) de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé, le système d’évacuation comprenant une conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé vers une sortie de l’appareil (1) en dehors de l’enceinte (13), l’appareil comprenant en outre une conduite (8) de collecte de fluide provenant de fuite(s) de la au moins une chambre (3) de compression et/ou de fluide vaporisé dans l’enceinte (13), caractérisé en ce que la conduite (8) de collecte comprend une portion de refroidissement du fluide comprimé par en échange thermique entre au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite (8) de collecte et au moins une partie du flux de fluide circulant dans la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la portion de refroidissement comprend un agencement de la conduite (8) de collecte autour de la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion de refroidissement comprend une disposition concentrique de la conduite (8) de collecte autour de la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé, c’est-à-dire que le fluide de fuite transporté dans la conduite (8) de collecte forme un écran thermique autour de la conduite (8) d’évacuation de fluide et sur au moins une partie de cette dernière. Appareil selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la portion de refroidissement est située au moins en partie dans l’enceinte (13) étanche. Appareil selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la portion de refroidissement est située au moins en partie dans le bain (16) de l’enceinte (13) étanche. Appareil selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la conduite (8) de collecte et la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé sont logées dans l’un au moins parmi : le corps de l’arbre (15), le corps de la chemise (14), une gaine de guidage disposée autour de l’arbre (15). Procédé de de compression de fluide cryogénique, notamment d’hydrogène liquéfié, utilisant un appareil (1) de compression à au moins un étage de compression et ayant au moins un piston (5) et au moins une chemise (14) délimitant au moins une chambre (3) de compression, la au moins une chambre (3) de compression étant logée dans une enceinte (13) étanche contenant un bain (16) de fluide cryogénique liquéfié, l’appareil (1) comprenant un arbre (15) mobile en translation selon un axe (A) longitudinal, l’arbre (15) possédant une partie dans l’enceinte (13) relié au(x) piston(s) ou chemise(s) et une partie hors de l’enceinte (13) reliée à un organe (21) moteur, l’arbre (15) étant mobile selon un mouvement alternatif pour assurer des phases de compression et d’admission du fluide dans la au moins une chambre (3) de compression en déplaçant relativement le au moins un piston (5) et la au moins une chemise (14), l’appareil (1) comprenant un système (2) d’admission communiquant avec la au moins une chambre (3) de compression et configuré pour permettre l’entrée de fluide à comprimer dans ladite chambre (3) de compression et un système (7, 11) d’évacuation communiquant avec la chambre (3) de compression pour permettre la sortie de fluide comprimé, le système d’évacuation comprenant une conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé vers une sortie de l’appareil (1) en dehors de l’enceinte (13), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend une étape de d’échange thermique entre au moins une partie du fluide circulant dans la conduite (11) d’évacuation du fluide comprimé et du fluide vaporisé collecté dans l’enceinte (16).