CH693187A5 - Procédé et installation de production frigorifique à partir d'un cycle thermique d'un fluide à bas point d'ébullition. - Google Patents

Description

  



  La présente invention concerne un procédé de production frigorifique à partir d'un cycle thermique d'un fluide à bas point d'ébullition, notamment de l'hélium, dans lequel:
 - on comprime ledit fluide à l'état gazeux jusqu'à une pression dite haute,
 - on prérefroidit le fluide comprimé à la traversée d'un premier étage de prérefroidissement,
 - on refroidit et on liquéfie au moins partiellement le fluide comprimé et prérefroidi, à la traversée d'un deuxième étage de refroidissement et de liquéfaction où le dit fluide est détendu à une pression dite basse,
 - on recueille au moins une partie dudit fluide refroidi et détendu dans une capacité de stockage du fluide dans un état diphasique,
 - on renvoie de la phase gazeuse par une ligne de réchauffement depuis la capacité, successivement au travers des deuxième et premier étages,

   cette phase gazeuse étant réchauffée à la traversée de ces étages par échange de chaleur avec le fluide comprimé les traversant, une partie au moins du fluide refroidi et détendu formant une première source frigorifique. 



  L'invention s'applique en particulier au refroidissement, à partir d'hélium, d'éléments supraconducteurs d'accélérateurs de particules. 



  Les pressions dont il est question ici sont des pressions absolues. 



  Le refroidissement des éléments supraconducteurs nécessite l'utilisation de fluides sous de très basses températures, généralement inférieures à 5 K, ces fluides formant des sources frigorifiques placées en relation d'échange thermique avec lesdits éléments. 



  Un fluide à bas point d'ébullition comme l'hélium permet d'atteindre de telles températures au sein de la capacité de stockage où il est dans un état d'équilibre liquide/vapeur. 



  Ainsi, on peut, par exemple, utiliser comme source frigorifique la phase liquide contenue dans cette capacité en la vaporisant, et éventuellement en réchauffant le gaz ainsi produit. 



  Cette vaporisation peut être assurée au sein même de la capacité, la source froide étant alors isotherme et l'installation de production frigorifique correspondante fonctionnant en mode dit réfrigérateur. 



  La vaporisation peut également être assurée à l'extérieur de la capacité après soutirage de la phase liquide contenue dans cette dernière, l'installation de production frigorifique correspondante fonctionnant alors en mode dit liquéfacteur. Dans ce mode de fonctionnement, on utilise également le gaz ainsi produit comme source frigorifique en le réchauffant. 



  Enfin, ces deux modes de fonctionnement peuvent être combinés en un mode de fonctionnement mixte dans lequel on fournit deux sources frigorifiques, à savoir une première à l'extérieur de la capacité de stockage, et une deuxième, isotherme, au sein même de cette capacité. 



  La production d'énergie frigorifique aux températures imposées engendre un coût de fonctionnement élevé qui correspond aux besoins en compression du fluide utilisé. 



  L'invention a pour but de résoudre ces problèmes en fournissant en particulier un procédé de production frigorifique utilisable pour tous les modes de fonctionnement décrits ci-dessus, permettant d'optimiser le bilan global en puissance de compression et donc de réduire les coûts de fonctionnement des installations. 



  A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production frigorifique à partir d'un cycle thermique d'un fluide à bas point d'ébullition, notamment de l'hélium, dans lequel:
 - on comprime ledit fluide à l'état gazeux jusqu'à une pression dite haute, 
 - on prérefroidit le fluide comprimé à la traversée d'un premier étage de prérefroidissement,
 - on refroidit et on liquéfie au moins partiellement le fluide comprimé et prérefroidi, à la traversée d'un deuxième étage de refroidissement et de liquéfaction où le dit fluide est détendu à une pression dite basse,
 - on recueille au moins une partie dudit fluide refroidi et détendu dans une capacité de stockage du fluide dans un état diphasique,
 - on renvoie de la phase gazeuse par une ligne de réchauffement depuis la capacité, successivement au travers des deuxième et premier étages,

   cette phase gazeuse étant réchauffée à la traversée de ces étages par échange de chaleur avec le fluide comprimé les traversant, une partie au moins du fluide refroidi et détendu formant une première source frigorifique, caractérisé en ce qu'on divise le fluide prérefroidi en au moins deux flux distincts que l'on détend en parallèle dans le deuxième étage, à savoir un premier flux, destiné à fournir au moins en partie la première source frigorifique, et au moins un deuxième flux, l'un de ces flux étant au moins partiellement liquéfié séparément à la traversée du deuxième étage. 



  Selon des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:
 - on liquéfie au moins partiellement le premier flux à la traversée du deuxième étage pour alimenter la capacité de stockage;
 - on liquéfie, au moins partiellement et séparément, au moins un deuxième flux dans le deuxième étage, pour alimenter également la capacité de stockage en fluide;
 - on utilise la phase liquide contenue dans la capacité pour former la première source frigorifique;

   
 - on soutire de la phase liquide depuis la capacité de stockage pour former la première source frigorifique à l'extérieur de ladite capacité;
 - on utilise la phase liquide contenue dans la capacité de stockage comme une deuxième source frigorifique isotherme au sein de cette capacité;
 - la première source frigorifique est un gaz, notamment supercritique, que l'on produit à partir du premier flux, et on alimente la capacité de stockage à partir d'un deuxième flux liquéfié au moins partiellement dans le deuxième étage;
 - on refroidit ledit gaz en aval du deuxième étage, par échange thermique avec la phase liquide stockée dans la capacité, pour former la première source frigorifique;
 - on utilise la phase liquide contenue dans la capacité de stockage comme une deuxième source frigorigène isotherme au sein de cette capacité;

  
 - dans au moins une partie du deuxième étage, on refroidit en outre le premier flux par échange de chaleur à contre-courant en utilisant un autre desdits flux détendu;
 - on renvoie directement ledit autre flux, refroidi et détendu en une phase gazeuse dans le deuxième étage, vers la ligne de réchauffement pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage; et
 - on renvoie ledit autre flux détendu et refroidi en au moins une phase gazeuse vers la capacité de stockage, la dite phase gazeuse étant renvoyée par la ligne de réchauffement pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage. 



  L'invention a également pour objet une installation de mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens de compression du fluide, un premier étage de prérefroidissement, un deuxième étage de refroidissement et de détente, une capacité de stockage du fluide dans un état diphasique, une ligne de refroidissement du fluide comprimé, qui, au moins en partie, traverse les deux étages, et relie les moyens de compression et ladite capacité, une ligne de réchauffement de la phase gazeuse de ladite capacité, qui traverse les deux étages et qui communique avec ladite capacité, en ce que ladite ligne de refroidissement est divisée dans le deuxième étage en au moins deux conduites distinctes munies chacune de moyens propres de détente appartenant au deuxième étage, une première de ces conduites,

   correspondant à un premier flux, étant destinée à fournir au moins en partie une première source frigorifique, et en ce que des moyens de détente d'une desdites conduites comprennent des moyens de liquéfaction au moins partielle. 



  Selon des modes particuliers de réalisation, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:
 - les moyens de détente de la première conduite comprennent des moyens de liquéfaction au moins partielle et cette première conduite débouche dans la capacité de stockage pour l'alimenter en fluide;
 - les moyens de détente d'au moins une deuxième des conduites, correspondant à un deuxième flux, comprennent des moyens de liquéfaction au moins partielle, et cette deuxième conduite débouche également dans la capacité de stockage pour l'alimenter en fluide;

  
 - l'installation comprend des moyens de mise en relation d'échange thermique de la phase liquide de la capacité de stockage avec l'extérieur, pour utiliser cette phase liquide comme première source frigorifique;
 - l'installation comprend des moyens de soutirage de la phase liquide depuis la capacité de stockage pour former la première source frigorifique à l'extérieur de la capacité;
 - l'installation comprend des moyens de mise en relation d'échange thermique de la phase liquide contenue dans la capacité de stockage avec l'extérieur de la capacité, pour former une deuxième source frigorifique isotherme au sein de cette capacité;

  
 - les moyens de détente d'une deuxième conduite, correspondant à un deuxième flux, comprennent des moyens de liquéfaction au moins partielle, cette deuxième conduite débouche dans ladite capacité pour l'alimenter en fluide, et les moyens de détente de la première conduite sont des moyens de détente du fluide en un gaz, pour fournir à une sortie un gaz, notamment supercritique, formant la première source frigorifique;
 - la première conduite est, en aval du deuxième étage, en relation d'échange thermique avec la phase liquide de la capacité de stockage, pour refroidir le gaz à fournir pour former la première source frigorifique;

  
 - l'installation comprend des moyens de mise en relation d'échange thermique de la phase liquide contenue dans la capacité avec l'extérieur de la capacité, pour former une deuxième source frigorifique isotherme au sein de cette ca pacité;
 - dans au moins une partie du deuxième étage, la première conduite est en relation d'échange thermique avec une autre desdites conduites pour refroidir le premier flux par échange de chaleur à contre-courant dans le deuxième étage;
 - les moyens de détente de ladite autre conduite comprennent des moyens de détente en une phase gazeuse, et la dite autre conduite débouche directement dans la ligne de réchauffement;

  
 - les moyens de détente de ladite autre conduite comprennent des moyens de détente en au moins une phase gazeuse, et cette autre conduite débouche dans ladite capacité pour que ladite phase gazeuse soit renvoyée par la ligne de réchauffement pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage;
 - les moyens de détente desdites conduites comprennent des turbines; et 
 - une canalisation de renvoi d'un fluide débouche dans la ligne de réchauffement entre les premier étage et le deuxième étage, et le deuxième étage comprend un échangeur de chaleur mettant en relation d'échange thermique les lignes de refroidissement et de réchauffement, ledit échangeur de chaleur étant disposé en amont des moyens de détente d'au moins une desdites conduites. 



  L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: 
 
   la fig. 1 est une vue schématique illustrant un premier mode de réalisation d'une installation de production frigorifique selon l'invention, 
   les fig. 2 et 3 sont des vues schématiques illustrant respectivement un deuxième et un troisième modes de réalisation d'une installation de production frigorifique selon l'invention, 
   la fig. 4 est une vue analogue à la fig. 3, illustrant une variante de l'installation de la fig. 3, et 
   les fig. 5 et 6 sont des vues schématiques du bout froid de variantes de l'installation de la fig. 4. 
 



  La fig. 1 représente une installation 1 de production frigorifique, à partir d'un cycle thermique fermé d'hélium, pour refroidir des éléments supraconducteurs (non représentés) en fournissant une première puissance frigorifique PI et une deuxième puissance frigorifique isotherme P2. 



  Cette installation 1 comprend essentiellement:
 - des moyens de compression de cycle, comprenant plusieurs compresseurs 2 qui sont disposés en série et dont un seul est représenté sur la fig. 1,
 - un premier étage 3 de prérefroidissement d'hélium,
 - un deuxième étage 4 de refroidissement et de détente d'hélium, 
 - une capacité 5 de stockage d'hélium en équilibre liquide/vapeur,
 - une ligne 6 de refroidissement d'hélium comprimé, qui, du moins en partie, relie les moyens 2 de compression et la capacité de stockage 5 et traverse successivement le premier étage 3 et le deuxième étage 4, et
 - une ligne 7 de réchauffement de la phase gazeuse de la capacité 5, qui relie cette capacité 5 et les moyens 2 de compression et qui traverse successivement le deuxième étage 4 et le premier étage 3. 



  L'installation 1 comprend en outre, d'une part, un échangeur de chaleur 8, disposé à l'écart des autres éléments de l'installation 1 pour fournir la puissance frigorifique P1 à un premier élément supraconducteur, et, d'autre part, des moyens 9 de mise en relation d'échange thermique de la partie inférieure de la capacité 5 avec un autre élément supraconducteur, pour fournir la puissance frigorifique isotherme P2. 



  Le premier étage 3 comprend plusieurs échangeurs de chaleur à contre-courant 10 dont un seul est représenté. 



  Le deuxième étage 4 comprend cinq échangeurs de chaleur à contre-courant 11 à 15, disposés successivement entre la capacité 5 et le premier étage 3, et des moyens de détente qui seront détaillés ci-après. 



  Dans l'installation 1, l'hélium est comprimé jusqu'à une pression d'environ 20 bars par les moyens 2 de compression, puis cet hélium est envoyé, via la ligne de refroidissement 6, au travers de l'étage de prérefroidissement 3 où cet hélium est prérefroidi. 



  En sortie de ce premier étage 3, l'hélium est à une pression d'environ 19,25 bars et à une température d'environ 20,54 K, c'est-à-dire à une température inférieure à sa température d'inversion Joule-Thomson qui est d'environ 37K à cette pression. 



  Cet hélium gazeux prérefroidi est alors envoyé avec un débit massique d'environ 764g/s, via la ligne de re froidissèment 6, au travers du deuxième étage 4, où cet hélium gazeux est divisé en trois flux canalisés chacun par une conduite distincte 16, 17, 18 de la ligne 6, les deuxième 17 et troisième 18 conduites étant représentées en pointillés sur la fig. 1 pour plus de clarté. 



  La ligne 6 est donc divisée au sein du deuxième étage 4 en trois conduites 16 à 18 munies chacune de moyens propres 21, 22, 23 de détente. 



  Un premier et un deuxième flux, correspondant respectivement à des débits massiques d'environ 244 g/s et 248 g/s, traversent conjointement l'échangeur de chaleur 15 où ils sont refroidis jusqu'à une température d'environ 13,39 K. 



  Ce premier et ce deuxième flux sont alors séparés et canalisés respectivement dans la première 16 et la deuxième 17 conduites. 



  Le premier flux est d'abord détendu et refroidi dans une turbine 24 des moyens 21 de détente de la première conduite 16, avant d'être introduit dans l'échangeur de chaleur 13 sous une pression d'environ 9,50 bars et à une température d'environ 10,78 K. 



  Ce premier flux est alors refroidi à la traversée de l'échangeur de chaleur 13 jusqu'à une température d'environ 9,31 K, puis à la traversée de l'échangeur de chaleur 12 jusqu'à une température d'environ 8,34 K. 



  Le premier flux est ensuite détendu et refroidi dans une turbine 25 des moyens 21 de détente, jusqu'à une pression d'environ 3,01 bars et une température de 5,40 K, puis refroidi à la traversée de l'échangeur de chaleur 11, en sortie duquel cet hélium atteint une température d'environ 4,46 K. 



  Le premier flux est alors sous la forme d'un gaz supercritique que l'on envoie vers l'échangeur de chaleur 8 où il est utilisé comme première source frigorifique, pour fournir la puissance P1 en se réchauffant. 



  Ce premier flux est finalement renvoyé sous une pression d'environ 1,24 bars et à une température d'environ 20,22 K, par une conduite 26, entre le premier étage 3 et le deuxième étage 4, dans la ligne de réchauffement 7. 



  Ce premier flux est alors réchauffé dans le premier étage 3, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec l'hélium comprimé traversant ce premier étage 3, puis alimente ensuite les moyens 2 de compression. 



  A la sortie de l'échangeur de chaleur 15, le deuxième flux est refroidi à la traversée de l'échangeur 14 jusqu'à une température d'environ 10,28 K, puis liquéfié en faible proportion (environ 10% du débit massique du deuxième flux) dans une turbine 27 des moyens 22 de détente de la deuxième conduite 17. Le fluide diphasique ainsi produit, sous une température d'environ 4,40 K et à une pression d'environ 1,20 bars, alimente alors la capacité 5 en hélium en équilibre liquide/vapeur. 



  La faible proportion d'hélium liquéfié dans la deuxième conduite 17 permet de n'utiliser qu'une seule turbine 27 pour détendre l'hélium comprimé et le liquéfier, sans risque d'endommagement de cette dernière. 



  La phase liquide contenue dans la capacité de stockage 5, grâce aux moyens 9 de mise en relation d'échange thermique avec l'extérieur de cette capacité, fournit la puissance frigorifique P2 en se vaporisant et forme donc une deuxième source frigorifique isotherme au sein de cette capacité 5. 



  La phase gazeuse contenue dans la capacité 5, comprenant la partie gazeuse du deuxième flux, est renvoyée, via la ligne 7, successivement au travers des échangeurs 11 et 12, où cette phase gazeuse est réchauffée jusqu'à une température d'environ 9,16 K. Ensuite, cette phase gazeuse est réchauffée au travers de l'échangeur de chaleur 13 jusqu'à une température d'environ 10,14 K. Cette phase gazeuse est réchauffée par échange de chaleur indirect à contre courant avec le premier flux traversant ces échangeurs de chaleur 11, 12 et 13. 



  Ensuite, cette phase gazeuse est réchauffée à la traversée de l'échangeur de chaleur 14 jusqu'à une température d'environ 12,02 K, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec le deuxième flux traversant cet échangeur 14, puis réchauffée à la traversée de l'échangeur 15, jusqu'à une température d'environ 20,22 K, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec le premier et le deuxième flux traversant cet échangeur 15. 



  Ainsi, la partie gazeuse du deuxième flux à l'échappement de la turbine 27 est utilisée pour refroidir le premier et le deuxième flux. 



  Cette phase gazeuse est enfin réchauffée dans le premier étage 3, conjointement avec le gaz renvoyé par la conduite 26, avant d'alimenter les moyens 2 de compression. 



  Le troisième flux, correspondant à un débit massique d'environ 272g/s et canalisé dans la troisième conduite 18, est détendu et refroidi séparément dans une turbine 28 des moyens 23 de détente de la troisième conduite 18. A l'échappement de cette turbine 28, l'hélium est en phase gazeuse, sous une pression d'environ 21,19 bars et à une température d'environ 9,16 K. 



  Le troisième flux détendu est ensuite envoyé directement dans la ligne de réchauffement 7 entre les échangeurs de chaleur 13 et 12. Ce troisième flux est alors réchauffé dans les échangeurs de chaleur 13 à 15, conjointement avec la phase vapeur canalisée dans la ligne de réchauffement 7, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec les autres flux traversant ces échangeurs 13 à 15. Ce troisième flux participe donc au refroidissement du premier et du deuxième flux. 



  Enfin, ce troisième flux est réchauffé à la traversée du premier étage 3 avec la phase gazeuse canalisée par la ligne de réchauffement 7, avant d'alimenter les moyens 2 de compression. 



  Cette installation 1 permet de produire une première puissance frigorifique P1 d'environ 21 700 W, à partir d'hélium supercritique à environ 4,46 K, et une deuxième puissance frigorifique isotherme P2 d'environ 4800 W, à partir d'hélium liquide à environ 4,40 K. 



  La détente séparée et en parallèle des trois flux, permet d'une part, d'obtenir les deux sources frigorifiques séparées et, d'autre part, d'utiliser le troisième flux pour refroidir le premier flux et/ou le deuxième flux sur l'intervalle de températures défini par les échangeurs 13 à 15 et d'utiliser une partie du deuxième flux pour refroidir le premier flux et le deuxième flux. 



  Ces caractéristiques permettent d'optimiser le bilan global en puissance de compression consommée dans l'installation 1, qui correspond à une puissance d'environ 4,5 MW. 



  La fig. 2 illustre un deuxième mode de réalisation d'une installation 1 de production frigorifique de la fig. 1, se distinguant de celui de la figure 1 par ce qui suit. 



  Un sixième 31 et un septième 32 échangeurs de chaleur à contre-courant sont disposés dans le deuxième étage 4, en amont de l'échangeur 15, par rapport à l'écoulement d'hélium dans la ligne de refroidissement 6. 



  Les échangeurs de chaleur 31 et 32 sont traversés chacun par la ligne de réchauffement 7. 



  Dans cette installation 1, l'hélium gazeux prérefroidi dans l'étage 3 est introduit via la ligne de refroidissement 6 dans le deuxième étage 4, où cet hélium est tout d'abord refroidi à la traversée de l'échangeur de chaleur 32, par échange de chaleur indirect à contre-courant avec la phase gazeuse canalisée par la ligne de réchauffement 7. Cet hélium est ensuite divisé en deux flux distincts canalisés respectivement par une première conduite 16 et une deuxième conduite 17 de la ligne 6. 



  Le premier flux est refroidi à la traversée de l'échangeur de chaleur 31. De manière analogue au cas de l'installation 1 de la fig. 1, ce premier flux est ensuite refroidi dans l'échangeur de chaleur 15, détendu et refroidi dans la turbine 24, refroidi successivement dans les échangeurs de chaleur 13 et 12, détendu et refroidi dans la turbine 25, et enfin refroidi à la traversée de l'échangeur de chaleur 11. 



  En aval du deuxième étage, la conduite 16 plonge dans la phase liquide contenue dans la capacité de stockage. Le premier flux, sous forme d'hélium supercritique, est alors refroidi par vaporisation d'une partie de cette phase liquide avant d'être fourni à l'échangeur 8. 



  Le deuxième flux est tout d'abord détendu et refroidi dans une turbine 27 des moyens 22 de détente de la deuxième conduite 17, puis il est introduit sous forme gazeuse successivement dans les échangeurs 15 à 13, où ce deuxième flux est refroidi par échange de chaleur indirect à contre-courant avec la phase gazeuse canalisée par la ligne de réchauffement 7. Ensuite, cet hélium gazeux est détendu et refroidi dans une turbine 33 des moyens 22 de détente où cet hélium est partiellement liquéfié. Le fluide diphasique produit à l'échappement de cette turbine 33 est ensuite envoyé vers la capacité de stockage pour l'alimenter en hélium sous équilibre liquide/vapeur. 



  Cette installation permet également d'atteindre les buts fixés en début de description. 



  En outre, la présence du septième échangeur 32 permet de découpler les températures du premier flux renvoyé, via la conduite 26, depuis l'échangeur de chaleur 8 vers la ligne de réchauffement 7, et du deuxième flux à l'admission de la turbine 22. 



  La fig. 3 illustre un troisième mode de réalisation d'une installation 1 de production frigorifique, se distinguant de celui de la fig. 1 par ce qui suit. 



  Cette installation 1 est destinée à la production d'une puissance frigorifique unique P1 dans l'échangeur 8, par vaporisation et réchauffement d'hélium liquide soutiré depuis la capacité de stockage 5. Cette installation 1 est donc destinée à fonctionner en mode liquéfacteur. 



  Le deuxième étage 4 comprend quatre échangeurs de chaleur à contre-courant 11 à 14 disposés successivement entre la capacité de stockage 5 et le premier étage 3. 



  L'hélium comprimé par les moyens 2 de compression puis prérefroidi à la traversée du premier étage 3 est envoyé, via la ligne de refroidissement 6, dans le deuxième étage 4. Cet hélium gazeux prérefroidi est divisé en trois flux canalisés respectivement par une première conduite 16, une deuxième conduite 17 et une troisième conduite 18 de la ligne de refroidissement 6. 



  Le premier et le deuxième flux sont tout d'abord refroidis conjointement à la traversée de l'échangeur de chaleur 14 puis séparés en deux flux distincts à la sortie de cet échangeur 14. 



  Le premier flux est ensuite détendu et refroidi à la traversée d'une turbine 24 des moyens 21 de détente de la première conduite 16, puis refroidi dans l'échangeur de chaleur 12, détendu et refroidi dans une turbine 25 des moyens 21 de détente, refroidi dans l'échangeur de chaleur 11, et enfin partiellement liquéfié à la traversée d'une troisième turbine 35 des moyens 21 de détente. Le premier flux est alors introduit sous forme diphasique dans la capacité de stockage 5. 



  La partie gazeuse de ce premier flux est canalisée par la ligne de réchauffement 7, où elle se réchauffe dans les échangeurs de chaleur 11 à 14, en refroidissant, d'une part, le premier flux traversant ces échangeurs 11, 12 et 14 et, d'autre part, le deuxième flux dans les échangeurs 13 et 14 comme décrit ci-après. 



  La phase liquide contenue dans la capacité 5 est soutirée par une conduite 36 pour alimenter l'échangeur de chaleur 8 où cette phase liquide est vaporisée puis réchauffée en fournissant la puissance frigorifique P1. La phase gazeuse ainsi produite est renvoyée par une conduite 26, vers la ligne de réchauffement 7, entre les deux étages 3 et 4. 



  A la sortie de l'échangeur de chaleur 14, le deuxième flux est envoyé, via la deuxième conduite 17, dans l'échangeur de chaleur 13 où il est refroidi, puis ce deuxième flux d'hélium gazeux est détendu et refroidi à la traversée d'une turbine 27 des moyens 22 de détente de la deuxième conduite 17, avant d'être renvoyé directement dans la ligne de réchauffement 7, entre la capacité de stockage 5 et l'échangeur de chaleur 11. 



  Ce deuxième flux, canalisé par la ligne de réchauffement 7, traverse alors successivement les échangeurs de chaleur 11 et 12, où ce flux se réchauffe en refroidissant le premier flux traversant ces deux échangeurs, puis l'échangeur de chaleur 13, dans lequel ce flux se réchauffe en refroidissant le deuxième flux traversant cet échangeur, et enfin l'échangeur de chaleur 14 où ce flux se réchauffe en refroidissant le premier et le deuxième flux traversant cet échangeur. Ce deuxième flux est ensuite renvoyé vers les moyens 2 de compression au travers du premier étage 3, avec la phase gazeuse renvoyée par la conduite 26. 



  Le troisième flux est détendu et refroidi à la traversée d'une turbine 28 des moyens 23 de détente de la troisième conduite 18, puis renvoyé directement en phase gazeuse vers la ligne de réchauffement 7 entre les échangeurs de chaleur 12 et 13. 



  Ce troisième flux, canalisé par la ligne de réchauffement 7, est alors réchauffé à la traversée de l'échangeur de chaleur 13, en refroidissant le deuxième flux traversant cet échangeur de chaleur, puis réchauffé à la traversée de l'échangeur de chaleur 14, en refroidissant le premier et le deuxième flux traversant cet échangeur de chaleur 14. Ce troisième flux est ensuite renvoyé vers le pré mier étage 3 et les moyens 2 de compression par ligne de réchauffement 7. 



  Ce mode de réalisation permet également d'atteindre les buts fixés en début de description. 



  La fig. 4 illustre une variante de l'installation 1 de la fig. 3, se distinguant de cette dernière par ce qui suit. 



  A la traversée de la turbine 27, le deuxième flux est liquéfié en faible proportion puis envoyé directement dans la capacité de stockage 5 pour l'alimenter en fluide sous équilibre/vapeur. 



  La partie gazeuse du deuxième flux introduite dans la capacité de stockage 5 est canalisée par la ligne de réchauffement 7 où elle se réchauffe par refroidissement du premier flux dans les échangeurs 11 et 12, par refroidissement du deuxième flux dans l'échangeur 13, et par refroidissement du premier et du deuxième flux dans l'échangeur 14. 



  La ligne de réchauffement 7 est donc, comme à la fig. 3, alimentée en phase gazeuse par les phases gazeuses fournies par les trois flux qui sont utilisés pour refroidir les premier et deuxième flux dans le deuxième étage. 



  Bien sûr, l'installation 1 de la fig. 4 peut également fonctionner, selon une variante, en mode mixte, comme illustré par la fig. 5. Cette fig. 5 illustre le bout froid d'une installation 1 de production frigorifique, c'est-à-dire la partie inférieure (comme vue sur la fig. 4) entourant la capacité de stockage 5. Selon cette variante, l'installation 1 comprend des moyens 9 de mise en relation d'échange thermique de la partie inférieure de la capacité 5 avec l'extérieur, pour fournir une puissance frigorifique P2. 



  L'installation 1 de la fig. 4 peut également fonctionner, selon une autre variante, en mode réfrigérateur, comme illustré par la fig. 6. Selon cette variante, l'échangeur de chaleur 8 et la conduite 26 ont été supprimés, et l'installation 1 comprend des moyens 9 de mise en relation d'échange thermique de la partie inférieure de la capacité 5 avec l'extérieur. La phase liquide contenue dans la capacité 5 forme alors la première source frigorifique au sein de la capacité 5 et fournit une puissance frigorifique isotherme P1.

Claims (16)

1. Procédé de production frigorifique à partir d'un cycle thermique d'un fluide à bas point d'ébullition, notamment de l'hélium, dans lequel: - on comprime (en 2) ledit fluide à l'état gazeux jusqu'à une pression dite haute, - on prérefroidit le fluide comprimé à la traversée d'un premier étage de prérefroidissement (3), - on refroidit et on liquéfie au moins partiellement le fluide comprimé et prérefroidi, à la traversée d'un deuxième étage de refroidissement et de liquéfaction (4) où ledit fluide est détendu à une pression dite basse, - on recueille au moins une partie dudit fluide refroidi et détendu dans une capacité (5) de stockage du fluide dans un état diphasique, - on renvoie de la phase gazeuse par une ligne (7) de réchauffement depuis la capacité (5), successivement au travers des deuxième et premier étages (3, 4),

cette phase gazeuse étant réchauffée à la traversée de ces étages par échange de chaleur avec le fluide comprimé les traversant, une partie au moins du fluide refroidi et détendu formant une première source frigorifique (en 8; en 5), caractérisé en ce qu'on divise le fluide prérefroidi en au moins deux flux distincts que l'on détend en parallèle dans le deuxième étage (4), à savoir un premier flux, destiné à fournir au moins en partie la première source frigorifique, et au moins un deuxième flux, l'un de ces flux étant au moins partiellement liquéfié (en 27; en 33; en 35; en 27, en 35) séparément à la traversée du deuxième étage.

2.

Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on liquéfie au moins partiellement (en 35) le premier flux à la traversée du deuxième étage (4) pour alimenter la capacité de stockage (5) (fig. 3 à 6).

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on liquéfie, au moins partiellement et séparément (en 27) , au moins un deuxième flux dans le deuxième étage (4), pour alimenter également la capacité de stockage (5) en fluide (fig. 4 à 6).

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on utilise la phase liquide contenue dans la capacité (5) pour former la première source frigorifique (en 8; en 5) (fig. 3 à 6).

5.

Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on soutire de la phase liquide depuis la capacité de stockage (5) pour former la première source frigorifique (en 8) à l'extérieur de ladite capacité (fig. 3 et 4).

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise la phase liquide contenue dans la capacité de stockage (5) comme une deuxième source frigorifique isotherme (en 9) au sein de cette capacité (5) (fig. 5).

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première source frigorifique est un gaz, notamment supercritique, que l'on produit à partir du premier flux, et en ce qu'on alimente la capacité de stockage (5) à partir d'un deuxième flux liquéfié au moins partiellement (en 27; en 33) dans le deuxième étage (4) (fig. 1 et 2).

8.

Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on refroidit ledit gaz en aval du deuxième étage (4), par échange thermique avec la phase liquide stockée dans la capacité (5), pour former la première source frigorifique (fig. 2).

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on utilise la phase liquide contenue dans la capacité de stockage (5) comme une deuxième source frigorifique isotherme (en 9) au sein de cette capacité (fig. 2).

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que dans au moins une partie du deuxième étage (4), on refroidit en outre le premier flux par échange de chaleur à contre-courant en utilisant un autre desdits flux détendu (fig. 1 à 6).

11.

Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on renvoie directement ledit autre flux, refroidi et détendu (en 27, en 28) en une phase gazeuse dans le deuxième étage (4), vers la ligne de réchauffement (7) pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage.

12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on renvoie ledit autre flux détendu et refroidi (en 27; en 33) en au moins une phase gazeuse vers la capacité de stockage (5), ladite phase gazeuse étant renvoyée par la ligne de réchauffement (7) pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage (4) (fig. 1, 2 et 4).

13.

Installation de mise en Öuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle comprend: - des moyens (2) de compression du fluide, - un premier étage de prérefroidissement (3), - un deuxième étage de refroidissement et de détente (4), - une capacité (5) de stockage du fluide dans un état diphasique, - une ligne (6) de refroidissement du fluide comprimé, qui, au moins en partie, traverse les deux étages (3, 4) et relie les moyens (2) de compression et ladite capacité (5), - une ligne (7) de réchauffement de la phase gazeuse de ladite capacité (5), qui traverse les deux étages (3, 4) et qui communique avec lesdits moyens de compression (5), en ce que ladite ligne de refroidissement (6) est divisée dans le deuxième étage en au moins deux conduites distinctes (16, 17, 18; 16, 17) munies chacune de moyens (21, 22, 23;

21, 22) propres de détente appartenant au deuxième étage (4), une première (16) de ces conduites, correspondant à un premier flux, étant destinée à fournir au moins en partie une première source frigorifique (en 8; en 5), et en ce que des moyens de détente d'une desdites conduites comprennent des moyens (27; 33; 35; 27, 35) de liquéfaction au moins partielle.

14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens (21) de détente de la première conduite comprennent des moyens (35) de liquéfaction au moins partielle et en ce que cette première conduite débouche dans la capacité de stockage (5) pour l'alimenter en fluide (fig. 3 à 6).

15.

Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens (22) de détente d'au moins une deuxième (17) des conduites, correspondant à un deuxième flux, comprennent des moyens (27) de liquéfaction au moins partielle, et en ce que cette deuxième conduite (17) débouche également dans la capacité de stockage (5) pour l'alimenter en fluide (fig. 4 à 6).

16. Installation selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu'elle comprend des moyens (8; 9) de mise en relation d'échange thermique de la phase liquide de la capacité de stockage (5) avec l'extérieur, pour utiliser cette phase liquide comme première source frigorifique (fig. 3 à 6).