EP3163221B1 - Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogenique - Google Patents

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EP3163221B1
EP3163221B1 EP16193760.2A EP16193760A EP3163221B1 EP 3163221 B1 EP3163221 B1 EP 3163221B1 EP 16193760 A EP16193760 A EP 16193760A EP 3163221 B1 EP3163221 B1 EP 3163221B1
Authority
EP
European Patent Office
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cryogenic
bath
cooling system
fluid
cryogenic bath
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP16193760.2A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP3163221A1 (fr
Inventor
Bernard Rousset
François Bonne
Violette HOAREAU
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D29/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25D29/001—Arrangement or mounting of control or safety devices for cryogenic fluid systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/19—Calculation of parameters

Definitions

  • the invention relates to a method of regulating a cryogenic cooling system, and to a cryogenic cooling system as such which implements such a method.
  • the invention relates to cooling systems that can deliver large (medium and / or peak) cooling capacities of several tens to several thousand watts.
  • Cryogenic cooling systems such as helium coolers
  • helium coolers are generally designed to provide constant cooling capacity. They are therefore particularly suited to stationary thermal loads or those that are slightly variable over time.
  • some applications require large and highly variable cooling capacities.
  • the cooling of superconducting magnets of certain scientific installations such as tokamaks intended for the study of nuclear fusion.
  • the cooling system of the Japanese tokamak JT-60SA delivers an average cooling capacity of 6 kW and a peak power of 12 kW. If the chiller was running constantly at its maximum power, this would mean - over a period of one year - an over-consumption of more than 10 GWh.
  • the graph of the figure 1 shows the instantaneous thermal power P (t), which has a cyclic time variation, and the average thermal power dissipated by a superconducting magnet of said tokamak JT-60SA.
  • the figure 2 illustrates the structure of a cooling system for smoothing thermal loads, for example those from superconducting magnets, which constitute pulsed thermal loads ST.
  • These heat loads are cooled by a heat transfer fluid (supercritical helium), via a first heat exchanger X1, which circulates in a primary circuit CFP and transfers the heat absorbed to a cryogenic bath BC comprising diphasic helium , liquid and vapor, via a second heat exchanger X2.
  • This cryogenic bath is open, connected to a RL helium cooler / liquefier operating according to the Claude cycle (see J.-C. Boissin et al. "Cryogenics: implementation of low temperatures", Engineering Techniques, B 2,382 ).
  • Such a cooler comprises a compression zone and a cold zone ("cold box") coupled by valves.
  • the role of the compression zone (compressor P) is to provide a flow of gas (helium) under a high pressure, for example about 15 to 25 bar.
  • the role of the cold zone is to provide a cooling capacity to keep an installation cold. It consists of several HX1 - HX5 countercurrent exchangers that allow heat exchange between the low pressure (LP) and high pressure (LP) channels, T1 and T2 turbines in which part of the thermal energy of the gas is converted into work, and a Joule Thomson VJT expansion valve at the end of the HP high-pressure channel.
  • the helium is partially liquefied (LHe) and supplies the cryogenic bath BC; concomitantly, helium in the vapor state (VHe) is discharged to the LP low pressure channel.
  • the pulsed heat source ST magnet superconductor
  • CFP primary fluid circuit in which circulates supercritical helium.
  • the RL cooler would be subject to serious malfunctions, which could lead to safety shutdowns or even failures.
  • an increase in the load would cause an increase in the cold return flow, and therefore an increase in pressure at the inlet and outlet of the compressor C, which can induce a thermal overload of its motor, an inadmissible variation in the outlet pressure, etc. .
  • a sudden cooling would occur at the level of the expansion turbines, which could induce the condensation of liquid droplets creating an imbalance capable of destroying the turbines.
  • the document WO2013088303 also describes an embodiment that provides for the variation of the temperature and the pressure within the cryogenic bath: in this case, the measurement of the height of the liquid in the bath no longer makes it possible to deduce from it the mass quantity of fluid cryogenic in the bath because the saturated liquid then has a variable mass with temperature and pressure. So, this document proposes in a such a situation a regulation of the inflow or outflow of the cryogenic bath to the cooler RL. It also offers additional regulation and correction mechanisms to improve the stability and performance of the system.
  • the invention aims to improve the solutions of the state of the art. More specifically, it aims to allow the regulation of a cryogenic cooling system comprising an open bath saturated with liquid / vapor so as to "smooth" the temporal variations of a non-stationary heat load, in particular having a cyclic operation, c that is, periodic or quasi-periodic.
  • Quasi-periodic means an operating regime in which the thermal load periodically takes, at times referred to as "cycle ends", the same value (for example: zero) without being strictly periodic; for example, the power dissipated from one cycle to another may vary by ⁇ 10% or more.
  • a general object of the invention is to provide an improved solution for cryogenic cooling, in particular adapted for cooling a non-stationary heat load.
  • the control method may comprise a measurement step by liquid level sensors and a temperature or pressure measurement of the cryogenic bath and a calculation step by a first treatment module of a device for regulating the total mass of the fluid in the cryogenic bath from the reading in an electronic memory of the density of the liquid and the cryogenic gas to saturation and the calculation of the volume of liquid and gas present in the cryogenic bath.
  • the control method may include a data transmission step corresponding to an actuation command to at least one actuator associated with a valve disposed on the supply duct and / or on the exhaust duct.
  • the control method may comprise a step of modifying the configuration of the cooling system which induces a variation of the pressure and the temperature of the cryogenic fluid within the cryogenic bath, on the liquid-vapor saturation curve, for example by modifying a flow rate at the cooler, in particular by acting on at least one valve, while retaining controlled the total mass of cryogenic fluid present in the cryogenic bath.
  • the invention also relates to a cryogenic cooling system of a thermal source exchanging its thermal load with a cryogenic bath provided with a supply duct for a cryogenic fluid in the liquid state, two-phase or supercritical and a conduit for discharging a cryogenic fluid in the vapor state, said conduits being connected to a cryogenic cooler, characterized in that it comprises a device for directly measuring the mass of cryogenic fluid present in the bath cryogenic and a control device which implements the method of regulating the cryogenic cooling system as described above for servocontrolling the total mass of cryogenic fluid within the cryogenic bath to a set mass.
  • the cryogenic cooling system may comprise a valve disposed on the supply duct and / or on the evacuation duct and the control device may be linked to an actuator of said valve by a communication device to transmit commands to it.
  • the cryogenic cooling system may comprise a heat exchanger disposed within the cryogenic bath capable of thermal bonding with a thermal source for discharging heat from the thermal source.
  • flow will always be understood to mean a mass flow rate.
  • the figure 3 schematically represents a cryogenic cooling system according to one embodiment of the invention: a cryogenic bath 1 (or tank) is provided with a supply duct 10 of a cryogenic fluid in the liquid state, two-phase or supercritical, and a conduit 11 for discharging a cryogenic fluid in the gaseous state, said conduits being connected to a cryogenic cooler, not shown, which can be any cooler of the state of the art such as that illustrated by FIG. figure 2 .
  • the cryogenic bath 1 may comprise helium at a pressure of 1 bar and at a temperature of 4.2 K, which corresponds to a condition of saturation and therefore of equilibrium between the liquid and gas.
  • the cooling system comprises a primary fluidic circuit, not shown, which may be similar to that shown in FIG. figure 2 , in which circulates a coolant, comprising a first heat exchanger for extracting heat from a thermal source, and a second heat exchanger disposed within the cryogenic bath to yield said heat to the cryogenic bath.
  • the thermal source may not be deported, and is, for example, embedded in the cryogenic bath (in the case of magnets of a Nuclear Magnetic Resonance / NMR device). In such a case, there is no primary circuit or exchanger.
  • a single exchanger is necessary.
  • the invention therefore also relates to a cooling system adapted to these variants of use.
  • the cooling system further comprises a device 13 for measuring the total mass of fluid present in the cryogenic bath 1.
  • the mass measuring device 13 comprises a temperature sensor 14 and a measuring device 14. measuring the liquid height of the cryogenic bath, this height being in the vertical direction z.
  • the fluid present in the cryogenic bath is in saturation conditions, and is distributed in a liquid mass and a gaseous mass in equilibrium. Under these conditions, the density of the liquid and the saturation gas depends only on its temperature, or alternatively its pressure, these two temperature and pressure variables being linked together by a bijective equation.
  • mliq roliq T * S * h
  • roliq (T) represents the density of the liquid at the saturation temperature T
  • h the height of the liquid in the cryogenic bath 1.
  • Mgas ROGAZ T * S * Htot - h with rogaz (T) represents the density of the gas at the saturation temperature T, and Htot the total height of the tank.
  • M tot roliq T * S * h + ROGAZ T * S * Htot - h
  • This formula (3) shows that the measurement of the height h of liquid and the measurement of the temperature T are sufficient to directly deduce at any moment the total mass of fluid in the cryogenic bath 1.
  • the temperature sensor 14 could be replaced by a pressure sensor P, and the formulas (3) (3 ') modified by replacing the temperature T by the pressure P.
  • control device 20 may comprise an electronic memory on which is stored a table giving the roliq and rogaz values as a function of the temperature T and / or saturation pressure P. This table can thus be read automatically by the calculation software in the implementation of the calculations according to the preceding equations.
  • the total mass of fluid present in the cryogenic bath 1 is measured by a load cell.
  • the measurement would be defined by an independent measurement. Associated for example with a reading of the level used only to initialize the mass to be regulated, this sensor would make it possible to overcome any uncertainties or errors of measurement of the preceding method, for example in the case of absence of interface liquid / vapor or in the case of inhomogeneities of the gas and / or the liquid (as a presence of bubbles in the liquid).
  • the scale, or any balance measures all or part of the mass of the tank. The total mass of fluid present in the cryogenic bath is deduced from this measurement.
  • one or more measurements are directly performed on the cryogenic bath 1 itself, to obtain one or more measured values that allow the direct calculation of the total mass of fluid present in the cryogenic bath 1.
  • the measuring device 13 of the mass is a device for direct measurement of the actual total mass. This is contrary to the solutions of the state of the art which make it possible indirectly to estimate the mass of fluid present within the cryogenic bath 1 from at least one measurement carried out outside the cryogenic bath, for example by the flow difference between the supply duct 10 and the exhaust duct 11.
  • the cooling system further comprises a device 20 for controlling the system, in particular mass flow rates of the cooler connected to the cryogenic bath 1, which implements a system control method which will be described later.
  • the control device 20 comprises a management unit which is in the form of a computing entity, for example comprising any computer, any microprocessor-based element (s), with software support and at least one electronic memory, for implement the features that will be described hereinafter of the cooling process.
  • This management unit can be physically near the cooling system or remotely. It can be in the form of a single physical entity or several entities. It comprises a first communication device 21 for receiving data from the device 13 for measuring the mass of fluid in the cryogenic bath.
  • It comprises a second communication device 22 for transmitting control data to one or more actuator (s), the latter to modify the configuration of the cooling system to regulate its operation.
  • the second communication device 22 is connected to an actuator of an expansion valve 12 disposed on the supply duct 10, to modify the flow rate of fluid inlet into the cryogenic bath.
  • the regulating device 20 implements a regulation of the mass of fluid present in the cryogenic bath so as to keep it constant, which indirectly guarantees the equality of flow rates entering and leaving the cryogenic bath and stability at a point of operation. optimum cooling system as a whole. For this, this mass is enslaved on a set mass, as will be detailed later.
  • the result of the comparison implemented by the second comparison module 24 is then transmitted to a third module 26 which applies a control law from this result, to output one (or more) control data to the valve 12 of the cooling system by the communication device 22.
  • the regulation law is selected from the existing solutions of the state of the art to obtain a control of the total mass of the cryogenic bath on the target mass. As will become apparent later, the performance of the cooling system control is greatly improved by the use of a direct measurement of the total mass of fluid in the cryogenic bath 1.
  • the cryogenic bath 1 of the cooling system two-phase liquid-vapor, saturation
  • the temperature of the saturated bath may increase if the pressure in the tank increases, this increase being due for example to an increase in the pressure loss downstream of the bath.
  • This increase is even desired when it is desired to maintain a given rate of withdrawal while the heat transfer in the cold source increases due for example to an increase in the energy generated by the source to be cooled: in this case, it is possible to maintain a part of the evaporated liquid in the cryogenic bath, for example by closing a little valve downstream of it, for example on the evacuation duct 11, which has the effect of increasing the pressure and correspondingly the temperature of the saturated bath.
  • the invention also has the advantage of overcoming this disadvantage, since the measurement of the mass proposed is much more precise and above all does not show any drift with time.
  • control can be obtained by acting on one or more other valves, replacing or complementing the expansion valve 12 of the supply duct 10, and / or by actuating other components of the cooling system.
  • an additional expansion valve and / or a compressor may be placed on the discharge duct 11. In the case where the valve and the compressor are associated, the latter is placed downstream of the valve to regulate the flow rate. . It is also possible to associate a valve on the supply duct with a valve on the evacuation duct.
  • the method may also include a step of entering or automatically calculating a datum representing a target mass.
  • the method may also comprise a step of modifying the configuration of the cooling system, for example by modifying a flow rate at the cooler, in particular by acting on at least one valve, so as to induce a variation of the pressure and of the temperature cryogenic fluid within the cryogenic bath, on the liquid-vapor saturation curve.
  • This step may for example include maintaining a given withdrawal rate while the heat transfer from the source to be cooled increases. More generally, this may occur during a variation of the heat from the external hot source to be cooled.

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Description

  • L'invention porte sur un procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique, et sur un système de refroidissement cryogénique en tant que tel qui met en oeuvre un tel procédé. L'invention concerne en particulier les systèmes de refroidissement pouvant délivrer des puissances frigorifiques (moyennes et/ou de crête) importantes, de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de watts.
  • Les systèmes de refroidissement cryogéniques, tels que les refroidisseurs à hélium, sont généralement conçus pour fournir une puissance frigorifique constante. Ils sont donc particulièrement adaptés aux charges thermiques stationnaires ou faiblement variables dans le temps. Cependant, certaines applications nécessitent des puissances frigorifiques importantes et fortement variables. On peut citer par exemple le refroidissement des aimants supraconducteurs de certaines installations scientifiques, tels que les tokamaks destinés à l'étude de la fusion nucléaire. A titre d'exemple, le système de refroidissement du tokamak japonais JT-60SA délivre une puissance frigorifique moyenne de 6 kW et une puissance de crête de 12 kW. Si le refroidisseur fonctionnait constamment à sa puissance maximale, cela se traduirait - sur une durée d'un an - par une surconsommation électrique de plus de 10 GWh. Le graphique de la figure 1 montre la puissance thermique instantanée P(t), qui présente une variation temporelle cyclique, et la puissance thermique moyenne dissipées par un aimant supraconducteur dudit tokamak JT-60SA.
  • Il existe essentiellement deux possibilités pour gérer de fortes charges thermiques puisées : soit concevoir des refroidisseurs adaptés à des variations importantes de la puissance frigorifique fournie, soit « lisser » temporellement les charges thermiques pour éviter qu'elles ne se répercutent sur le refroidisseur.
  • La figure 2 illustre la structure d'un système de refroidissement permettant de lisser les charges thermiques, par exemple celles provenant des aimants supraconducteurs, qui constituent des charges thermiques pulsées ST. Ces charges thermiques sont refroidies par un fluide caloporteur (hélium supercritique), par l'intermédiaire d'un premier échangeur de chaleur X1, qui circule dans un circuit primaire CFP et cède la chaleur absorbée à un bain cryogénique BC comprenant de l'hélium diphasique, liquide et vapeur, par l'intermédiaire d'un second échangeur de chaleur X2. Ce bain cryogénique est ouvert, relié à un refroidisseur/liquéfacteur d'hélium RL fonctionnant selon le cycle de Claude (voir J.-C. Boissin et al. « Cryogénie : mise en oeuvre des basses températures », Techniques de l'Ingénieur, B 2 382). Un tel refroidisseur comprend une zone de compression et une zone froide (« boîte froide ») couplées par des vannes. Le rôle de la zone de compression (compresseur P) est de fournir un débit de gaz (hélium) sous une haute pression, par exemple de 15 à 25 bars environ. Le rôle de la zone froide est de fournir une puissance frigorifique pour maintenir en froid une installation. Elle est constituée de plusieurs échangeurs à contre courant HX1 - HX5 qui permettent un échange de chaleur entre les canaux basse pression (BP) et haute pression (HP), de turbines T1 et T2 dans lesquelles une partie de l'énergie thermique du gaz est convertie en travail, et d'une vanne de détente Joule Thomson VJT à l'extrémité du canal haute pression HP. En sortie de cette vanne de détente, l'hélium est partiellement liquéfié (LHe) et alimente le bain cryogénique BC ; de manière concomitante, de l'hélium à l'état de vapeur (VHe) est évacué vers le canal basse pression BP. La source thermique pulsée ST (aimant supraconducteur) est refroidie par l'intermédiaire du circuit fluidique primaire CFP dans lequel circule de l'hélium supercritique.
  • Si aucun amortissement des variations de la charge thermique n'était prévu, le refroidisseur RL serait sujet à des dysfonctionnements graves, pouvant conduire à des arrêts de sécurité, voire à des pannes. Par exemple, une augmentation de la charge provoquerait une augmentation du débit froid de retour, et donc une augmentation de pression en entrée et en sortie du compresseur C, pouvant induire une surcharge thermique de son moteur, une variation inadmissible de la pression de sortie etc. En outre, un refroidissement brutal se produirait au niveau des turbines de détente, ce qui pourrait induire la condensation de gouttelettes liquides créant un balourd susceptible de détruire les turbines. Ces différentes réactions à une forte augmentation transitoire du débit de retour (vapeur froide) peuvent donc provoquer l'arrêt complet du refroidisseur, que ce soit par une panne réelle ou sur un déclenchement de seuil de sécurité. Pour éviter ces variations, une solution de l'état de la technique, par exemple décrite dans le document WO2013088303 , est basée sur la régulation de la circulation du fluide du bain vers le refroidisseur et inversement pour maintenir un débit massique constant et un fonctionnement du refroidisseur à charge thermique constante, à partir de la mesure de la hauteur de liquide dans le bain massique et d'un débit d'entrée ou de sortie du bain cryogénique vers le refroidisseur RL.
  • Le document WO2013088303 décrit aussi un mode de réalisation qui prévoit la variation de la température et de la pression au sein du bain cryogénique : dans ce cas, la mesure de la hauteur de liquide au sein du bain ne permet plus d'en déduire la quantité massique de fluide cryogénique dans le bain car le liquide saturé a alors une masse variable avec la température et la pression. Ainsi, ce document propose dans une telle situation une régulation des débits d'entrée ou de sortie du bain cryogénique vers le refroidisseur RL. Il propose de plus des mécanismes de régulation et de correction complémentaires pour améliorer la stabilité et la performance du système.
  • L'invention vise à améliorer les solutions de l'état de la technique. Plus précisément, elle vise à permettre la régulation d'un système de refroidissement cryogénique comprenant un bain ouvert saturé de liquide-/vapeur de manière à « lisser » les variations temporelles d'une charge thermique non stationnaire, notamment présentant un fonctionnement cyclique, c'est-à-dire périodique ou quasi-périodique. On entend par « quasi-périodique » un régime de fonctionnement dans lequel la charge thermique prend périodiquement, à des instants dénommés « fins de cycle », une même valeur (par exemple : zéro) sans pour autant être strictement périodique ; par exemple, la puissance dissipée d'un cycle à l'autre peut varier de ±10%, voire plus.
  • Ainsi, un objet général de l'invention est de proposer une solution améliorée de refroidissement cryogénique, notamment adaptée au refroidissement d'une charge thermique non stationnaire.
  • A cet effet, l'invention repose sur un procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique comportant un bain cryogénique pourvu d'un conduit d'amenée d'un fluide cryogénique à l'état liquide, diphasique ou supercritique et d'un conduit d'évacuation d'un fluide cryogénique à l'état vapeur, lesdits conduits étant reliés à un refroidisseur cryogénique, caractérisé en ce que le procédé de régulation met en oeuvre les étapes suivantes :
    • Mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique permettant de déduire la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique ;
    • Asservissement de la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique à une masse de consigne, à partir de la mesure précédente.
  • L'étape d'asservissement peut comprendre les étapes suivantes :
    • Transmission d'une ou plusieurs grandeur(s) directement mesurée(s) au niveau du bain cryogénique vers un dispositif de régulation ;
    • Déduction de cette ou de ces grandeur(s) mesurée(s) de la masse totale de fluide cryogénique dans le bain cryogénique ;
    • Comparaison de la masse totale de fluide du bain cryogénique avec la masse de consigne ;
    • Calcul d'une commande d'actionnement du système de refroidissement à partir de cette comparaison ;
    • Transmission d'une donnée correspondant à la commande d'actionnement vers au moins un actionneur afin d'agir sur un composant du système de refroidissement et modifier sa configuration, par exemple modifier un débit, notamment en agissant sur un actionneur associé à au moins une vanne.
  • L'étape de mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique peut comprendre :
    • une mesure par des capteurs du niveau de liquide présent dans le bain cryogénique et une mesure température ou de pression du bain cryogénique ; ou
    • une mesure par un peson de la masse de tout ou partie du bain cryogénique.
  • Le procédé de régulation peut comprendre une étape de mesure par des capteurs du niveau de liquide et une mesure de température ou de pression du bain cryogénique et une étape de calcul par un premier module de traitement d'un dispositif de régulation de la masse totale de fluide dans le bain cryogénique à partir de la lecture dans une mémoire électronique de la masse volumique du liquide et du gaz cryogénique à saturation et du calcul du volume de liquide et de gaz présents dans le bain cryogénique.
  • Le procédé de régulation peut comprendre une étape de transmission d'une donnée correspondant à une commande d'actionnement vers au moins un actionneur associé à une vanne disposée sur le conduit d'amenée et/ou sur le conduit d'évacuation.
  • Le procédé de régulation peut comprendre une étape de modification de la configuration du système de refroidissement qui induit une variation de la pression et de la température du fluide cryogénique au sein du bain cryogénique, sur la courbe de saturation liquide-vapeur, par exemple en modifiant un débit au niveau du refroidisseur, notamment en agissant sur au moins une vanne, tout en conservant asservie la masse totale de fluide cryogénique présent dans le bain cryogénique.
  • L'invention porte aussi sur un système de refroidissement cryogénique d'une source thermique échangeant sa charge thermique avec un bain cryogénique pourvu d'un conduit d'amenée d'un fluide cryogénique à l'état liquide, diphasique ou supercritique et d'un conduit d'évacuation d'un fluide cryogénique à l'état vapeur, lesdits conduits étant reliés à un refroidisseur cryogénique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de mesure directe de la masse de fluide cryogénique présent dans le bain cryogénique et un dispositif de régulation qui met en oeuvre le procédé de régulation du système de refroidissement cryogénique tel que décrit précédemment pour un asservissement la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique à une masse de consigne.
  • Le système de refroidissement cryogénique peut comprendre :
    • un capteur de mesure du niveau de liquide présent dans le bain cryogénique et un capteur de température ou de pression au sein du bain cryogénique ; ou
    • un peson ou une balance permettant de mesurer tout ou partie de la masse du bain cryogénique,
    et peut comprendre un dispositif de communication permettant de transmettre la ou les mesures effectuée(s) au dispositif de régulation.
  • Le système de refroidissement cryogénique peut comprendre une vanne disposée sur le conduit d'amenée et/ou sur le conduit d'évacuation et le dispositif de régulation peut être lié à un actionneur de ladite vanne par un dispositif de communication pour lui transmettre des commandes.
  • Le système de refroidissement cryogénique peut comprendre un échangeur thermique disposé au sein du bain cryogénique apte à une liaison thermique avec une source thermique pour évacuer de la chaleur provenant de la source thermique.
  • Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode d'exécution particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
    • La figure 1 représente un diagramme temporel de la chaleur engendrée par une charge thermique pulsée (aimant supraconducteur d'un tokamak) selon l'état de la technique.
    • La figure 2 représente un schéma général d'un système de refroidissement cryogénique de l'état de la technique.
    • La figure 3 représente un schéma illustrant un procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon le mode de réalisation de l'invention.
  • Sauf indication contraire, dans la suite de la description on entendra toujours par « débit » un débit massique.
  • La figure 3 représente schématiquement un système de refroidissement cryogénique selon un mode de réalisation de l'invention : un bain cryogénique 1 (ou réservoir) est pourvu d'un conduit d'amenée 10 d'un fluide cryogénique à l'état liquide, diphasique ou supercritique, et d'un conduit d'évacuation 11 d'un fluide cryogénique à l'état gazeux, lesdits conduits étant reliés à un refroidisseur cryogénique, non représenté, qui peut être tout refroidisseur de l'état de la technique tel que celui illustré par la figure 2. A titre d'exemple, le bain cryogénique 1 peut comprendre de l'hélium à la pression de 1 bar et à la température de 4,2 K, ce qui correspond à une condition de saturation et donc d'équilibre entre les phases liquide et gazeuse. De même, le système de refroidissement comprend un circuit fluidique dit primaire, non représenté, et qui peut être similaire à celui représenté sur la figure 2, dans lequel circule un fluide caloporteur, comprenant un premier échangeur pour extraire de la chaleur d'une source thermique, et un deuxième échangeur disposé au sein du bain cryogénique pour céder ladite chaleur au bain cryogénique. En variante, la source thermique peut ne pas être déportée, et est, par exemple, noyée dans le bain cryogénique (cas des aimants d'un dispositif à Résonance Magnétique Nucléaire / RMN). Dans un tel cas, il n'y a ni circuit primaire, ni échangeur. Selon une autre variante, un seul échangeur est nécessaire. L'invention porte donc aussi sur un système de refroidissement adapté à ces variantes d'utilisation.
  • Le système de refroidissement comprend de plus un dispositif de mesure 13 de la masse totale de fluide présent dans le bain cryogénique 1. Selon le mode de réalisation représenté, le dispositif de mesure 13 de la masse comprend un capteur de température 14 et un dispositif de mesure de la hauteur de liquide 15 du bain cryogénique, cette hauteur s'entendant selon la direction verticale z. Le fluide présent dans le bain cryogénique se trouve dans des conditions de saturation, et est réparti en une masse liquide et une masse gazeuse en équilibre. Dans ces conditions, la masse volumique du liquide et du gaz à saturation ne dépend que de sa température, ou en variante que de sa pression, ces deux grandeurs de température et pression étant liées entre elles par une équation bijective.
  • Ainsi, en considérant un bain cryogénique 1 de section S constante, cette section étant définie par une coupe selon un plan horizontal perpendiculaire à la direction verticale z, la masse de liquide mliq contenue dans le bain cryogénique 1 s'exprime par l'équation suivante : mliq = roliq T * S * h
    Figure imgb0001
     où roliq(T) représente la masse volumique du liquide à la température de saturation T, et h la hauteur du liquide au sein du bain cryogénique 1.
  • De même la masse de gaz mgaz contenu dans le bain cryogénique 1 se calcule par : mgaz = rogaz T * S * Htot − h
    Figure imgb0002
     avec rogaz(T) représente la masse volumique du gaz à la température de saturation T, et Htot la hauteur totale du réservoir.
  • La masse totale Mtot (liquide + gaz) contenue à l'intérieur du réservoir formant le bain cryogénique 1 est donc égale à : Mtot = roliq T * S * h + rogaz T * S * Htot − h
    Figure imgb0003
  • Cette formule (3) montre que la mesure de la hauteur h de liquide et la mesure de la température T suffisent à en déduire directement à tout instant la masse totale de fluide dans le bain cryogénique 1.
  • Dans le cas général où la forme du réservoir est telle que sa section droite S(h) est variable avec la hauteur h du réservoir, la formule (3) précédente devient : Mtot = roliq T ∫ 0 h S h dh + rogaz T ∫ h Htot S h dh
    Figure imgb0004
  • Selon une première variante de réalisation, le capteur de température 14 pourrait être remplacé par un capteur de pression P, et les formules (3) (3') modifiées en remplaçant la température T par la pression P.
  • Dans tous les cas, le dispositif de régulation 20 peut comprendre une mémoire électronique sur laquelle est mémorisée une table donnant les valeurs de roliq et rogaz en fonction de la température T et/ou de la pression P de saturation. Cette table peut ainsi être lue automatiquement par le logiciel de calcul dans la mise en oeuvre des calculs selon les équations précédentes.
  • Selon une seconde variante de réalisation, la masse totale de fluide présent dans le bain cryogénique 1 est mesurée par un peson. Pour s'affranchir des erreurs qui pourraient provenir de l'estimation du poids du réservoir à vide ainsi que des reprises partielles du poids via les tuyauteries, la mesure serait définie par une mesure indépendante. Associé par exemple à une lecture du niveau utilisée uniquement pour initialiser la masse à réguler, ce capteur permettrait de s'affranchir des éventuelles incertitudes ou erreurs de mesure de la méthode précédente, par exemple dans le cas d'absence d'interface liquide/vapeur ou dans le cas d'inhomogénéités du gaz et/ou du liquide (comme une présence de bulles dans le liquide). Le peson, ou toute balance, mesure tout ou partie de la masse du réservoir. La masse totale de fluide présent dans le bain cryogénique est déduite de cette mesure.
  • Dans toutes ces variantes de réalisation, une ou plusieurs mesures sont directement effectuées sur le bain cryogénique 1 lui-même, pour obtenir une ou plusieurs valeurs mesurées qui permettent le calcul direct de la masse totale de fluide présent au sein du bain cryogénique 1. Pour cette raison, nous considérons que le dispositif de mesure 13 de la masse est un dispositif de mesure directe de la masse totale réelle. Cela s'oppose aux solutions de l'état de la technique qui permettent d'estimer indirectement la masse de fluide présent au sein du bain cryogénique 1 à partir d'au moins une mesure effectuée à l'extérieur du bain cryogénique, par exemple par la différence de débit entre le conduit d'amenée 10 et le conduit d'évacuation 11.
  • Le système de refroidissement comprend de plus un dispositif de régulation 20 du système, notamment des débits fluidiques massiques du refroidisseur lié au bain cryogénique 1, qui met en oeuvre un procédé de régulation du système qui sera décrit ultérieurement. Pour cela, le dispositif de régulation 20 comprend une unité de gestion qui se présente sous la forme d'une entité de calcul, par exemple comprenant tout calculateur, tout élément à base de microprocesseur(s), avec un support logiciel et au moins une mémoire électronique, pour mettre en oeuvre les fonctionnalités qui vont être décrites ci-après du procédé de refroidissement. Cette unité de gestion peut être physiquement à proximité du système de refroidissement ou à distance. Elle peut se présenter sous la forme d'une seule entité physique ou de plusieurs entités. Elle comprend un premier dispositif de communication 21 pour recevoir des données provenant du dispositif de mesure 13 de la masse de fluide du bain cryogénique. Elle comprend un second dispositif de communication 22 pour transmettre des données de commande vers un ou plusieurs actionneur(s), ces derniers permettant de modifier la configuration du système de refroidissement pour réguler son fonctionnement. Dans le mode de réalisation choisi, le second dispositif de communication 22 est relié à un actionneur d'une vanne de détente 12 disposée sur le conduit d'amenée 10, pour modifier le débit d'entrée de fluide dans le bain cryogénique.
  • Le dispositif de régulation 20 met en oeuvre une régulation de la masse de fluide présente dans le bain cryogénique de sorte à la maintenir constante, ce qui garantit indirectement l'égalité des débits entrant et sortant du bain cryogénique et la stabilité à un point de fonctionnement optimum du système de refroidissement dans son ensemble. Pour cela, cette masse est asservie sur une masse de consigne, comme cela sera détaillé par la suite.
  • La figure 3 représente donc schématiquement la régulation mise en oeuvre par le dispositif de régulation 20. Ce dernier comprend un premier module 23 de traitement qui permet de traiter la ou les données de mesure provenant du dispositif de mesure 13 de la masse. Ce traitement consiste en un éventuel calcul selon l'une des formules (3) (3') mentionnées précédemment, ou une simple réception et mémorisation de la donnée transmise, de sorte à obtenir une valeur de masse totale de fluide présent dans le bain cryogénique 1. La fonction de ce premier module 23 est de préférence mise en oeuvre par un logiciel sur une entité de calcul, comme mentionné précédemment. La valeur donnée en sortie par ce premier module 23 consiste donc en la masse totale de fluide présent dans le bain cryogénique, mesurée directement. Elle est utilisée comme entrée dans un second module 24 de comparaison, où elle est comparée à une consigne de masse voulue, transmise au second module 24 par un dispositif de communication 25. La consigne de masse voulue est soit prédéfinie et mémorisée dans une mémoire électronique du dispositif de régulation 20, soit saisie par une interface homme machine, soit calculée automatiquement à partir d'autres données de l'environnement du système de refroidissement pour adapter son fonctionnement de manière optimale. La détermination de la masse de consigne se fait de manière connue de l'état de la technique. En règle générale, elle est comprise entre :
    • Une valeur basse (masse minimale de liquide), par exemple définie pour permettre à un échangeur X2 d'être complètement mouillé et qui permet de stocker une énergie suffisante, et
    • Une valeur haute (masse maximale de liquide) définie par une situation avec un volume plus important de liquide, sans provoquer un problème de gouttelettes dans le conduit d'évacuation.
    La masse de consigne peut être calculée comme une valeur moyenne entre ces deux valeurs basse et haute. Ce calcul peut utiliser la température moyenne à maintenir et la connaissance des masses volumiques des phases en présence.
  • Le résultat de la comparaison mise en oeuvre par le second module 24 de comparaison est ensuite transmis à un troisième module 26 qui applique une loi de régulation à partir de ce résultat, pour transmettre en sortie une (ou plusieurs) donnée de commande vers la vanne 12 du système de refroidissement par le dispositif de communication 22. La loi de régulation est choisie parmi les solutions existantes de l'état de la technique afin d'obtenir un asservissement de la masse totale du bain cryogénique sur la masse de consigne. Comme cela apparaîtra par la suite, la performance de la régulation du système de refroidissement est fortement améliorée grâce à l'utilisation d'une mesure directe de la masse totale de fluide du bain cryogénique 1.
  • En effet, le bain cryogénique 1 du système de refroidissement, diphasique liquide-vapeur, à saturation, fonctionne souvent à température constante dans l'état de la technique. Toutefois, la température du bain saturé peut augmenter si la pression dans le réservoir augmente, cette augmentation étant due par exemple à une augmentation de la perte de pression en aval du bain. Cette augmentation est même souhaitée lorsque l'on désire maintenir un débit de soutirage donné alors que le transfert de chaleur dans la source froide augmente du fait par exemple d'une hausse de l'énergie générée par la source à refroidir : dans ce cas, il est possible de maintenir une partie du liquide évaporé dans le bain cryogénique, par exemple en fermant un peu une vanne située en aval de celui-ci, par exemple sur le conduit de d'évacuation 11, ce qui a pour effet d'augmenter la pression et corrélativement la température du bain saturé. Cet effet est notamment recherché lorsque l'on désire utiliser cette source froide en volant thermique. Dans une situation où la température et la pression du fluide du bain cryogénique sont variables, ces deux valeurs se déplaçant le long de la courbe de saturation du fluide considéré, la hauteur du liquide du bain cryogénique ne correspond pas à une masse donnée puisque ledit liquide devient plus léger en chauffant. Ainsi, les nombreuses solutions de l'état de la technique qui ne reposent que sur la mesure de cette hauteur ne conviennent pas à une telle situation, au contraire de l'invention. De plus, les mesures de débits sont souvent très imprécises, ce qui est un inconvénient des nombreuses solutions de l'état de la technique basées sur une régulation du système de refroidissement utilisant un calcul de la variation de masse par différence entre le débit entrant et le débit sortant. En effet, une erreur systématique sur le calcul de la différence des débits (due à une erreur systématique de l'un et/ou de l'autre des deux débits mesurés) provoquera, avec le temps, une dérive constante de la valeur de la masse. L'invention présente aussi l'avantage de surmonter cet inconvénient, car la mesure de la masse proposée est beaucoup plus précise et surtout ne présente pas de dérive avec le temps.
  • Ainsi, le dispositif de régulation 20 du système de refroidissement met en oeuvre un procédé de régulation du système de refroidissement, qui comprend les étapes suivantes :
    • Mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique pour en déduire directement la masse totale de fluide présent au sein du bain cryogénique ;
    • Asservissement de cette masse totale sur une valeur de masse de consigne.
  • L'asservissement comprend les étapes suivantes :
    • Transmission d'une ou plusieurs grandeur(s) directement mesurée(s) au niveau du bain cryogénique vers un dispositif de régulation ;
    • Déduction de cette ou ces grandeur(s) de la masse totale du bain cryogénique ;
    • Comparaison de la masse totale de fluide du bain cryogénique avec une masse de consigne ;
    • Calcul d'une commande d'actionnement du système de refroidissement ;
    • Transmission d'une donnée correspondant à la commande d'actionnement vers un actionneur afin d'agir sur un composant du système de refroidissement et modifier sa configuration, par exemple modifier un débit, notamment en agissant sur au moins une vanne.
  • Ces étapes sont répétées périodiquement, pour obtenir un ajustement et une régulation du système de refroidissement en temps réel ou quasi-réel.
  • En remarque, l'asservissement peut être obtenu en agissant sur une ou plusieurs autres vannes, en remplacement ou complément de la vanne de détente 12 du conduit d'amenée 10, et/ou par un actionnement d'autres composants du système de refroidissement. Par exemple, une vanne additionnelle de détente et/ou un compresseur peut être placé(e) sur le conduit d'évacuation 11. Dans le cas où vanne et compresseur sont associés, ce dernier est placé en aval de la vanne pour réguler le débit. On peut aussi associer une vanne sur le conduit d'amenée à une vanne sur le conduit d'évacuation.
  • Le procédé peut aussi comprendre une étape de saisie ou de calcul automatique d'une donnée représentant une masse de consigne.
  • Le procédé peut aussi comprendre une étape de modification de la configuration du système de refroidissement, par exemple en modifiant un débit au niveau du refroidisseur, notamment en agissant sur au moins une vanne, de sorte à induire une variation de la pression et de la température du fluide cryogénique au sein du bain cryogénique, sur la courbe de saturation liquide-vapeur. Cette étape peut par exemple comprendre le maintien d'un débit de soutirage donné alors que le transfert de chaleur provenant de la source à refroidir augmente. Plus généralement, cela peut apparaître lors d'une variation de la chaleur provenant de la source chaude externe à refroidir.

Claims (10)

  1. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique comportant un bain cryogénique (1) pourvu d'un conduit d'amenée (10) d'un fluide cryogénique à l'état liquide, diphasique ou supercritique et d'un conduit d'évacuation (11) d'un fluide cryogénique à l'état vapeur, lesdits conduits étant reliés à un refroidisseur cryogénique, le procédé de régulation mettant en oeuvre les étapes suivantes :
    - Mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique permettant de déduire la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique ;
    - Asservissement de la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique à une masse de consigne, à partir de la mesure précédente, cette étape d'asservissement comprenant les étapes suivantes :
    - Transmission d'une ou plusieurs grandeur(s) directement mesurée(s) au niveau du bain cryogénique vers un dispositif de régulation (20) ;
    - Déduction de cette ou de ces grandeur(s) mesurée(s) de la masse totale de fluide cryogénique dans le bain cryogénique (1) ;
    - Comparaison de la masse totale de fluide du bain cryogénique avec la masse de consigne ;
    - Calcul d'une commande d'actionnement du système de refroidissement à partir de cette comparaison ;
    - Transmission d'une donnée correspondant à la commande d'actionnement vers au moins un actionneur afin d'agir sur un composant du système de refroidissement et modifier sa configuration, par exemple modifier un débit, notamment en agissant sur un actionneur associé à au moins une vanne.
  2. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon la revendication précédente, l'étape de mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique comprenant une mesure par des capteurs du niveau de liquide présent dans le bain cryogénique (1) et une mesure de température du bain cryogénique.
  3. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications précédentes, l'étape de mesure d'une ou plusieurs grandeur(s) directement au niveau du bain cryogénique comprenant:
    - une mesure par des capteurs du niveau de liquide présent dans le bain cryogénique (1) et une mesure de pression du bain cryogénique ; ou
    - une mesure par un peson de la masse de tout ou partie du bain cryogénique (1).
  4. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon la revendication 2 ou 3, comprenant une étape de mesure par des capteurs du niveau de liquide et une mesure de température ou de pression du bain cryogénique (1) et une étape de calcul par un premier module (23) de traitement d'un dispositif de régulation (20) de la masse totale de fluide dans le bain cryogénique à partir de la lecture dans une mémoire électronique de la masse volumique du liquide et du gaz cryogénique à saturation et du calcul du volume de liquide et de gaz présents dans le bain cryogénique.
  5. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de transmission d'une donnée correspondant à une commande d'actionnement vers au moins un actionneur associé à une vanne (12) disposée sur le conduit d'amenée (10) et/ou sur le conduit d'évacuation (11).
  6. Procédé de régulation d'un système de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de modification de la configuration du système de refroidissement qui induit une variation de la pression et de la température du fluide cryogénique au sein du bain cryogénique (1), sur la courbe de saturation liquide-vapeur, par exemple en modifiant un débit au niveau du refroidisseur, notamment en agissant sur au moins une vanne, tout en conservant asservie la masse totale de fluide cryogénique présent dans le bain cryogénique (1).
  7. Système de refroidissement cryogénique d'une source thermique échangeant sa charge thermique avec un bain cryogénique (1) pourvu d'un conduit d'amenée (10) d'un fluide cryogénique à l'état liquide, diphasique ou supercritique et d'un conduit d'évacuation (11) d'un fluide cryogénique à l'état vapeur, lesdits conduits étant reliés à un refroidisseur cryogénique, comprenant un dispositif de mesure (13) directe de la masse de fluide cryogénique présent dans le bain cryogénique (1) et un dispositif de régulation (20) qui met en oeuvre le procédé de régulation du système de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications précédentes pour un asservissement la masse totale de fluide cryogénique au sein du bain cryogénique à une masse de consigne.
  8. Système de refroidissement cryogénique selon la revendication précédente, comprenant:
    - un capteur de mesure (15) du niveau de liquide présent dans le bain cryogénique (1) et un capteur de température (14) ou de pression au sein du bain cryogénique ; ou
    - un peson ou une balance permettant de mesurer tout ou partie de la masse du bain cryogénique (1),
    et en ce qu'il comprend un dispositif de communication (21) permettant de transmettre la ou les mesures effectuée(s) au dispositif de régulation (20).
  9. Système de refroidissement cryogénique selon la revendication 7 ou 8, comprenant une vanne (12) disposée sur le conduit d'amenée (10) et/ou sur le conduit d'évacuation (11) et en ce que le dispositif de régulation (20) est lié à un actionneur de ladite vanne (12) par un dispositif de communication (22) pour lui transmettre des commandes.
  10. Système de refroidissement cryogénique selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant un échangeur thermique disposé au sein du bain cryogénique (1) apte à une liaison thermique avec une source thermique pour évacuer de la chaleur provenant de la source thermique.
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