FR2775518A1

FR2775518A1 - Procede et installation de production frigorifique a partir d'un cycle thermique d'un fluide a bas point d'ebullition

Info

Publication number: FR2775518A1
Application number: FR9802490A
Authority: FR
Inventors: Baguer Guy Gistau
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1998-03-02
Filing date: 1998-03-02
Publication date: 1999-09-03
Anticipated expiration: 2018-03-02
Also published as: US6170290B1; FR2775518B1; CH693187A5; JPH11316059A; DE19908506A1

Abstract

Dans ce procédé, on comprime (en 2) ledit fluide à l'état gazeux jusqu'à une pression dite haute, on le prérefroidit à la traversée d'un premier étage de pré-refroidissement (3), on le refroidit et on le liquéfie au moins partiellement à la traversée d'un deuxième étage de refroidissement (4), on recueille au moins une partie dudit fluide refroidi et détendu dans une capacité (5) de stockage du fluide dans un état diphasique, et on renvoie de la phase gazeuse par une ligne de réchauffement (7) depuis la capacité au travers des premier et deuxième étages. 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 une première source frigorifique (en 8), et au moins un deuxième flux, l'un de ces flux étant partiellement liquéfié séparément (en 27) à la traversée du deuxième étage (4). Application au refroidissement d'éléments supraconducteurs à partir d'hélium.

Description

i

La présente invention concerne un procédé de produc-

tion frigorifique à partir d'un cycle thermique d'un fluide

à bas point d'ébullition, notamment de l'hélium, dans le-

quel: - 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 o le-

dit fluide est détendu à une pression dite basse,

- on recueille au moins une partie dudit fluide re-

froidi et détendu dans une capacité de stockage du fluide dans un état diphasique,

- on renvoie de la phase gazeuse par une ligne de ré-

chauffement 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 cha-

leur 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 refroi-

dissement, 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 tem-

pératures, généralement inférieures à 5 K, ces fluides for-

mant 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 ca-

pacité de stockage o il est dans un état d'équilibre li-

quide/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 li-

quide contenue dans cette dernière, l'installation de pro-

duction frigorifique correspondante fonctionnant alors en mode dit liquéfacteur. Dans ce mode de fonctionnement, on

utilise également le gaz ainsi produit comme source frigori-

fique 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 tempéra-

tures 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 fri-

gorifique utilisable pour tous les modes de fonctionnement décrits cidessus, 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 o le- dit fluide est détendu à une pression dite basse,

- on recueille au moins une partie dudit fluide re-

- on renvoie de la phase gazeuse par une ligne de ré-

réchauffée à la traversée de ces étages par échange de cha-

leur avec le fluide comprimé les traversant,

une partie au moins du fluide refroidi et détendu for-

mant 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 caractéristi-

ques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combi-

naisons 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 ali-

menter également la capacité de stockage en fluide;

- on utilise la phase liquide contenue dans la capaci-

té 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 capaci-

té de stockage comme une deuxième source frigorifique iso- therme au sein de cette capacité;

- la première source frigorifique est un gaz, notam-

ment 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 capaci-

té de stockage comme une deuxième source frigorigène iso-

therme au sein de cette capacité;

- dans au moins une partie du deuxième étage, on re-

froidit 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 réchauffe-

ment 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, carac-

térisé 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 re-

froidissement 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 pre-

mière 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 liquéfac-

tion au moins partielle.

Selon des modes particuliers de réalisation,

l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des carac-

téristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles:

- les moyens de détente de la première conduite com-

prennent des moyens de liquéfaction au moins partielle et

cette première conduite débouche dans la capacité de stock-

age 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 rela-

tion d'échange thermique de la phase liquide de la capacité

de stockage avec l'extérieur, pour utiliser cette phase li-

quide 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 capaci-

té;

- l'installation comprend des moyens de mise en rela-

tion 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, cor-

respondant à un deuxième flux, comprennent des moyens de li-

quéfaction au moins partielle, cette deuxième conduite dé- bouche 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 première10 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 rela-

tion 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 pre-

mière 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 com-

prennent 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 com-

prennent des moyens de détente en au moins une phase ga-

zeuse, 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 li-

gnes 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 figure 1 est une vue schématique illustrant

un premier mode de réalisation d'une installation de produc-

tion frigorifique selon l'invention, - les figures 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 figure 4 est une vue analogue à la figure 3, illustrant une variante de l'installation de la figure 3, et - les figures 5 et 6 sont des vues schématiques du

bout froid de variantes de l'installation de la figure 4.

La figure 1 représente une installation 1 de pro-

duction frigorifique, à partir d'un cycle thermique fermé d'hélium, pour refroidir des éléments supraconducteurs (non

représentés) en fournissant une première puissance frigori-

fique P1 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 figure 1, - un premier étage 3 de prérefroidissement d'hélium,

- un deuxième étage 4 de refroidissement et de dé-

tente d'hélium, - une capacité 5 de stockage d'hélium en équilibre liquide/vapeur,

- une ligne 6 de refroidissement d'hélium compri-

mé, qui, du moins en partie, relie les moyens 2 de compres-

S sion 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 élé-

ments de l'installation 1 pour fournir la puissance frigori-

fique Pl 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 élé-

ment 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 jus-

qu'à une pression d'environ 20 bars par les moyens 2 de com-

pression, puis cet hélium est envoyé, via la ligne de re-

froidissement 6, au travers de l'étage de prérefroidissement

3 o 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-

froidissement 6, au travers du deuxième étage 4, o cet hé-

lium 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 figure 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 res-

pectivement à des débits massiques d'environ 244g/s et 248g/s, traversent conjointement l'échangeur de chaleur 15 o 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 cha-

leur 13 sous une pression d'environ 9,50 bars et à une tem-

pérature 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 cha-

leur 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 o il est utilisé comme première source frigorifique, pour

fournir la puissance Pi en se réchauffant.

Ce premier flux est finalement renvoyé sous une pression d'environ 1,24 bars et à une température d'environ ,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 pre-

mier 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 tur-

bine 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 ca-

pacité 5.

La phase gazeuse contenue dans la capacité 5, com-

prenant la partie gazeuse du deuxième flux, est renvoyée, via la ligne 7, successivement au travers des échangeurs 11 et 12, o 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 jus-

qu'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 tempéra-

ture d'environ 12,02 K, par échange de chaleur indirect à

contre-courant avec le deuxième flux traversant cet échan-

geur 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 contrecourant 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 massi-

que 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 ga-

zeuse, sous une pression d'environ 21,19 bars et à une tem-

pérature d'environ 9,16 K.

Le troisième flux détendu est ensuite envoyé di-

rectement dans la ligne de réchauffement 7 entre les échan-

geurs de chaleur 13 et 12. Ce troisième flux est alors ré-

chauffé dans les échangeurs de chaleur 13 à 15, conjointe-

ment avec la phase vapeur canalisée dans la ligne de ré-

chauffement 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 tra-

versée 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 pre-

mière puissance frigorifique Pi d'environ 21700 W, à partir d'hélium supercritique à environ 4,46 K, et une deuxième

puissance frigorifique isotherme P2 d'environ 4800 W, à par-

tir 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 et d'utiliser une partie du deuxième flux pour refroidir

le premier flux et le deuxième flux.

Ces caractéristiques permettent d'optimiser le bi-

lan global en puissance de compression consommée dans l'installation 1, qui correspond à une puissance d'environ

4,5 MW.

La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisa-

tion d'une installation 1 de production frigorifique de la figure 1, se distinguant de celui de la figure 1 par ce qui

suit.

Un sixième 31 et un septième 32 échangeurs de cha-

leur 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 prére-

froidi dans l'étage 3 est introduit via la ligne de refroi-

dissement 6 dans le deuxième étage 4, o 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 figure 1, ce premier flux est ensuite refroidi dans l'échangeur de chaleur 15, détendu et refroidi dans la turbine 24, refroidi successivement dans les échan-

geurs de chaleur 13 et 12, détendu et refroidi dans la tur-

bine 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 10. 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 re-

froidi dans une turbine 27 des moyens 22 de détente de la

deuxième conduite 17, puis il est introduit sous forme ga-

* zeuse successivement dans les échangeurs 15 à 13, o 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 o cet hélium est partiellement liquéfié. Le fluide diphasique

produit à l'échappement de cette turbine 33 est ensuite en-

voyé 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 ren-

voyé, 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 figure 3 illustre un troisième mode de réalisa-

tion d'une installation 1 de production frigorifique, se

distinguant de celui de la figure 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 en-

tre la capadité 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 en-

voyé, 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 cha-

leur 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, o 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 o cette phase liquide est vaporisée puis réchauf-

fée 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 o il est refroidi, puis ce deuxième flux d'hélium gazeux est détendu et refroidi à la traversée d'une turbine 27 des moyens 22 dedétente 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 ré-

chauffement 7, traverse alors successivement les échangeurs

de chaleur 11 et 12, o ce flux se réchauffe en refroidis-

sant 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 o 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 ga-

zeuse vers la ligne de réchauffement 7 entre les échangeurs

de chaleur 12 et 13.

Ce troisième flux, canalisé par la ligne de ré-

chauffement 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 cha-

leur 14. Ce troisième flux est ensuite renvoyé vers le pre-

mier étage 3 et les moyens 2 de compression par ligne de ré-

chauffement 7. Ce mode de réalisation permet également

d'atteindre les buts fixés en début de description.

La figure 4 illustre une variante de l'installation 1 de la figure 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 ré-

chauffement 7 o elle se réchauffe par refroidissement du

premier flux dans les échangeurs 11 et 12, par refroidisse-

ment du deuxième flux dans l'échangeur 13, et par refroidis-

sement du premier et du deuxième flux dans l'échangeur 14.

La ligne de réchauffement 7 est donc, comme à la figure 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 figure 4 peut également fonctionner, selon une variante, en mode mixte, comme illustré par la figure 5. Cette figure 5 illustre le bout froid d'une installation 1 de production frigorifique, c'est-à-dire la partie inférieure (comme vue sur la figure

4) entourant la capacité de stockage 5. Selon cette va-

riante, 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 fri-

gorifique P2.

L'installation 1 de la figure 4 peut également

fonctionner, selon une autre variante, en mode réfrigéra-

teur, comme illustré par la figure 6. Selon cette variante,

l'échangeur de chaleur 8 et la conduite 26 ont été suppri-

més, 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 frigorifique5 isotherme P1.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de production frigorifique à partir d'un

cycle thermique d'un fluide à bas point d'ébullition, notam-

ment de l'hélium, dans lequel: - on comprime (en 2) ledit fluide à l'état gazeux jus- qu'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) o ledit fluide est détendu à une pression dite basse,

- on recueille au moins une partie dudit fluide re-

froidi 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 tra-

vers des deuxième et premier étages (3, 4), cette phase ga-

zeuse 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 for-

mant 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, desti-

né à fournir au moins en partie la première source frigori-

fique, 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) (figures 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 (figures 4 à 6).

4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé

en ce qu'on utilise la phase liquide contenue dans la capa-

cité (5) pour former la première source frigorifique (en 8; en 5) (figures 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 (figures 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 iso-

therme (en 9) au sein de cette capacité (5)(figure 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) (figures 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 ca-

pacité (5), pour former la première source frigorifique

(figure 2).

9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé

en ce qu'on utilise la phase liquide contenue dans la capa-

cité de stockage (5) comme une deuxième source frigorigène

isotherme (en 9) au sein de cette capacité (figure 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 au-

tre desdits flux détendu (figures 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) (figures 1, 2 et 4).

13. Installation de mise en oeuvre d'un 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 ladite capacité (5),

en ce que ladite ligne de refroidissement (6) est di-

visée dans le deuxième étage en au moins deux conduites dis-

tinctes (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 par-

tie une première source frigorifique (en 8; en 5), et

en ce que des moyens de détente d'une desdites condui-

tes comprennent des moyens (27; 33; 35; 27, 35) de liqué-

faction au moins partielle.

14. Installation selon la revendication 13, caractéri-

sée en ce que les moyens (21) de détente de la première con-

duite 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 (figures 3 à 6).

15. Installation selon la revendication 14, caractéri-

sée 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) débou-

che également dans la capacité de stockage (5) pour

l'alimenter en fluide (figures 4 à 6).

16. Installation selon la revendication 14 ou 15, ca-

ractérisé 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

(figures 3 à 6).

17. Installation selon la revendication 16, caractéri-

sé en ce qu'elle comprend des moyens (36) de soutirage de la phase liquide depuis la capacité de stockage pour former la première source frigorifique (en 8) à l'extérieur de la

capacité (figures 3 à 5).

18. Installation selon la revendication 17, caractéri-

sée en ce qu'elle comprend des moyens (9) de mise en rela-

tion d'échange thermique de la phase liquide contenue dans la capacité de stockage (5) avec l'extérieur de la capacité, pour former une deuxième source frigorifique isotherme au

sein de cette capacité (figure 5).

19. Installation selon la revendication 13, caractéri-

sée en ce que les moyens (22) de détente d'une deuxième con-

duite (17), correspondant à un deuxième flux, comprennent des moyens (27; 33) de liquéfaction au moins partielle, en

ce que cette deuxième conduite (17) débouche dans ladite ca-

pacité (5) pour l'alimenter en fluide, et en ce que les moyens (21) 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 (en 8) (figures 1 et 2).

20. Installation selon la revendication 19, caractéri-

sée en ce que la première conduite (16) est, en aval du deuxième étage, en relation d'échange thermique avec la phase liquide de la capacité de stockage (5), pour refroidir le gaz à fournir pour former la première source frigorifique

(figure 2).

21. Installation selon la revendication 19 ou 20, ca-

ractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (9) de mise en relation d'échange thermique de la phase liquide contenue dans la capacité (5) avec l'extérieur de la capacité, pour former une deuxième source frigorifique isotherme (en 9) au

sein de cette capacité (5) (figures 1 et 2).

22. Installation selon l'une quelconque des revendica-

tions 13 à 21, caractérisée en ce que dans au moins une par-

tie du deuxième étage (4), la première conduite (16) est en

relation d'échange thermique avec une autre desdites condui-

tes pour refroidir le premier flux par échange de chaleur à

contre-courant dans le deuxième étage (4) (figures 1 à 6).

23. Installation selon la revendication 22, caractéri-

sée en ce que les moyens (22; 22, 23) de détente de ladite autre conduite (17; 17, 18) comprennent des moyens (28; 27, 28) de détente en une phase gazeuse, et en ce que ladite autre conduite (18; 17, 18) débouche directement dans la

ligne de réchauffement (7).

24. Installation selon la revendication 22, caractéri-

sée en ce que les moyens (22) de détente de ladite autre conduite (17) comprennent des moyens (27; 33) de détente en

au moins une phase gazeuse, et en ce que cette autre con-

duite (17) débouche dans ladite capacité (5) pour que ladite phase gazeuse soit renvoyée par la ligne de réchauffement (7) pour refroidir le premier flux dans le deuxième étage (4).

25. Installation selon l'une quelconque des revendica-

tions 13 à 24, caractérisée en ce que les moyens (21, 22,

23) de détente desdites conduites comprennent des turbines.

26. Installation selon l'une quelconque des revendica-

tions 13 à 25, caractérisée en ce qu'une canalisation (26)

de renvoi d'un fluide débouche dans la ligne (7) de réchauf-

fement entre les premier étage (3) et le deuxième étage (4), et en ce que le deuxième étage (4) comprend un échangeur de

chaleur (32) mettant en relation d'échange thermique les li-

gnes (6, 7) de refroidissement et de réchauffement, ledit échangeur de chaleur (32) étant disposé en amont des moyens (21, 22) de détente d'au moins une desdites conduites (16, 17).