Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
COMPRESSION DEVICE AND METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/077213
Kind Code:
A1
Abstract:
Device and method for centrifugal compression of a working gas comprising a plurality of centrifugal compressors (1, 3) forming a plurality of compression stages and a plurality of drive motors (5, 6) for driving the compressors (1, 3), the device comprising a gas circuit comprising a first, inlet, pipe (13) for the gas to be compressed, connected to an inlet of a first compressor (1), the circuit comprising a second pipe (14) connected to an outlet of said first compressor (1), the second pipe (14) being connected to an inlet of a second compressor (3), the circuit comprising at least one third, cooling, pipe (15) having one end connected to the outlet of at least one of the compressors (1, 3) and at least one second end connected to an inlet of at least one motor (5, 6) for cooling thereof, the third, cooling, pipe (15) comprising a first member (2) for cooling the gas and two parallel branches respectively supplying two distinct motors (5, 6) of the device for their respective cooling.

Inventors:
DURAND, Fabien (85 allée de la Fontaine aux Merles, VOREPPES, VOREPPES, 38340, FR)
Application Number:
FR2018/052043
Publication Date:
April 25, 2019
Filing Date:
August 09, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L'EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (75 Quai d'Orsay, PARIS, PARIS, 75007, FR)
International Classes:
F04D17/12; F04D25/06; F04D29/58
Foreign References:
US20170159665A12017-06-08
EP2273130A12011-01-12
US0664469A1900-12-25
US8899945B22014-12-02
US0664469A1900-12-25
US5980218A1999-11-09
US8899945B22014-12-02
Attorney, Agent or Firm:
DE CUENCA, Emmanuel (L'AIR LIQUIDE S. A, Direction de la Propriété Intellectuelle75 Quai d'Orsay, PARIS Cedex 07, 75321, FR)
Download PDF:
Claims:
REVENDICATIONS

1. Dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite (13) d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur (1 ) pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur (1 ), le circuit comprenant une seconde conduite (14) reliée à une sortie dudit premier compresseur (1 ) pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite (14) étant reliée à une entrée d'un second compresseur (3) pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur (1) dans le second compresseur (3) en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant au moins une troisième conduite

(15) de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs (1 , 3) et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur (5, 6) pour transférer une fraction du gaz comprimé dans le au moins un compresseur (1 , 3) dans le au moins un moteur (5, 6) en vue de limiter réchauffement de ce dernier, la troisième conduite (15) de refroidissement comprenant un premier organe (2) de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs (5, 6) distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs caractérisé en ce que le circuit comprend des quatrièmes conduites (11 , 12) reliant une sortie du premier moteur (5) et une sortie du second moteur (6) à l'entrée du premier compresseur (1) pour recycler le gaz ayant servi à limiter échauffement des moteurs vers le premier compresseur (1 ) en vue de sa compression.

2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la troisième conduite (15) de refroidissement comporte un ensemble de vannes (7, 8) de régulation du débit de gaz admis à circuler dans les deux branches parallèles.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend deux vannes de régulation situées respectivement dans les deux branches.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend une vanne de régulation à trois voies située à la jonction des deux branches ou une unique vanne située sur la troisième conduite (15), en amont des deux branches.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier organe (2) de refroidissement du gaz comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit comprend au moins un second organe (17) de refroidissement du gaz disposé sur le trajet des quatrièmes conduites (11 , 12) pour extraire de la chaleur au gaz provenant des moteurs (5, 6) avant son retour dans le premier compresseur (1 ).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les compresseurs (1 , 3) sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6) correspondants.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs (5, 6) et le ou les compresseurs (1 , 3) ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur (1 ), c'est à dire la pression d'entrée (13) du compresseur (1 ).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur entraînant un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à un une ou plusieurs turbines de détente.

10. Machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail (10) contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif (18) de compression centrifuge et un dispositif (19) de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif (18) de compression, caractérisé en ce que le dispositif (18) de compression est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.

11 rocédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), les compresseurs (1 , 3) étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6), le procédé comprenant :

- une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur (1 ) puis dans un second compresseur (3) disposés en série,

- une étape de prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise circulation de ce gaz prélevé dans au moins un moteur (5, 6) en vue de son refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement du gaz prélevé à la sortie du au moins un compresseur (1) et une étape de distribution et de mise en circulation en parallèle de ce gaz prélevé et refroidi dans deux moteurs (5, 6) distincts en vue de leurs refroidissements respectifs.

REVENDICATIONS MODIFIÉES

reçues par le Bureau international le 31 janvier 2019 (31.01.2019)

1. Dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travaii, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite (13) d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur (1) pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur (1), le circuit comprenant une seconde conduite (14) reliée à une sortie dudit premier compresseur (1) pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite (14) étant reliée à une entrée d'un second compresseur (3) pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur (1 ) dans le second compresseur (3) en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant au moins une troisième conduite (15) de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs (1 , 3) et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur (5, 6) pour transférer une fraction du gaz comprimé dans le au moins un compresseur (1 , 3) dans le au moins un moteur (5, 6) en vue de limiter réchauffement de ce dernier, la troisième conduite (15) de refroidissement comprenant un premier organe (2) de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs (5, 6) distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs caractérisé en ce que le circuit comprend des quatrièmes conduites (11, 12) reliant une sortie du premier moteur (5) et une sortie du second moteur (6) à l'entrée du premier compresseur (1) pour recycler le gaz ayant servi à limiter réchauffement des moteurs vers le premier compresseur (1) en vue de sa compression et en ce que le circuit comprend au moins un second organe (17) de refroidissement du gaz disposé sur le trajet des quatrièmes conduites (11 , 12) pour extraire de la chaleur au gaz provenant des moteurs (5, 6) avant son retour dans le premier compresseur (1 ).

2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la troisième conduite (15) de refroidissement comporte un ensemble de vannes (7, 8) de régulation du débit de gaz admis à circuler dans les deux branches parallèles.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend deux vannes de régulation situées respectivement dans les deux branches.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend une vanne de régulation à trois voies située à la jonction des deux branches ou une unique vanne située sur la troisième conduite (15), en amont des deux branches.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier organe (2) de refroidissement du gaz comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les compresseurs (1 , 3) sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6) correspondants.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs (5, 6) et le ou les compresseurs (1 , 3) ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur (1), c'est à dire la pression d'entrée (13) du compresseur (1).

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur entraînant un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à un une ou plusieurs turbines de détente.

9. Machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail (10) contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif (18) de compression centrifuge et un dispositif (19) de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif (18) de compression, caractérisé en ce que le dispositif (18) de compression est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8.

10.Procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), les compresseurs (1 , 3) étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6), le procédé comprenant :

- une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur (1 ) puis dans un second compresseur (3) disposés en série,

- une étape de prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise circulation de ce gaz prélevé dans au moins un moteur (5, 6) en vue de son refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement du gaz prélevé à la sortie du au moins un compresseur (1) et une étape de distribution et de mise en circulation en parallèle de ce gaz prélevé et refroidi dans deux moteurs (5, 6) distincts en vue de leurs refroidissements respectifs.

Description:
Dispositif et procédé de compression

L'invention concerne un dispositif et un procédé de compression ainsi qu'une machine de réfrigération.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur, le circuit comprenant une seconde conduite reliée à une sortie dudit premier compresseur pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite étant reliée à une entrée d'un second compresseur pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur dans le second compresseur en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant au moins une troisième conduite de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur pour transférer une fraction du gaz comprimé dans le au moins un compresseur dans le au moins un moteur en vue de limiter échauffement de ce dernier.

Un compresseur centrifuge utilisant un entraînement direct entre le moteur (électrique) et la ou les roues de compression (c'est-à-dire sans multiplicateur de vitesse) nécessite un débit de gaz afin d'évacuer la chaleur générée dans le moteur. Cette chaleur est générée principalement par les pertes du moteur et par le frottement du rotor avec le gaz qui l'entoure.

Ce débit de refroidissement est habituellement injecté d'un côté du moteur (au niveau d'une entrée) et évacué de l'autre côté (au niveau d'une sortie) avec une température plus élevée. Il peut aussi être injecté au milieu du moteur et être évacué des deux côtés de celui-ci.

Une part plus ou moins importante de la chaleur est aussi habituellement évacuée pas un fluide caloporteur circulant dans un circuit entourant la partie statorique du moteur (eau ou air ou tout autre fluide caloporteur permettant de refroidir le stator).

Dans le but de ne pas perdre ou de ne pas polluer le gaz comprimé, le gaz circulant dans le moteur pour le refroidir a habituellement la même composition que le gaz comprimé.

Dans le but de limiter le nombre d'équipement, la force motrice nécessaire pour faire circuler le gaz au travers du ou des moteurs est générée par un ou plusieurs étages de compression (c'est-à-dire par un ou plusieurs des compresseurs).

II existe plusieurs exemples connus utilisant cette technique de refroidissement.

Le document US6,64,469 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.

Le document US5,980,218 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant de l'échangeur de refroidissement situé en aval du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.

Le document US8,899,945 décrit une architecture à plusieurs moteurs Ces solutions sont cependant peu adaptées à une architecture à plusieurs moteurs et/ou les performances sont insatisfaisantes.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la troisième conduite de refroidissement comprend un premier organe de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

- la troisième conduite de refroidissement comporte un ensemble de vannes de régulation du débit de gaz admis à circuler dans les deux branches parallèles,

- l'ensemble de vannes comprend deux vannes de régulation situées respectivement dans les deux branches, - l'ensemble de vannes comprend une vanne de régulation à trois voies située à la jonction des deux branches ou une unique vanne située sur la troisième conduite, en amont des deux branches,

- le premier organe de refroidissement du gaz comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur,

- le circuit comprend des quatrièmes conduites reliant une sortie du premier moteur et une sortie du second moteur à l'entrée du premier compresseur pour recycler le gaz ayant servi à limiter échauffement des moteurs vers le premier compresseur en vue de sa compression,

- le circuit comprend au moins un second organe de refroidissement du gaz disposé sur le trajet des quatrièmes conduites pour extraire de la chaleur au gaz provenant des moteurs avant son retour dans le premier compresseur,

- les compresseurs sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs correspondants,

- le dispositif comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs et le ou les compresseurs ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée du compresseur,

- le dispositif comporte au moins un moteur entraînant un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à un une ou plusieurs turbines de détente,

L'invention concerne également une machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif de compression centrifuge et un dispositif de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif de compression, caractérisé en ce que le dispositif de compression est conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci- après.

L'invention concerne également un procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, les compresseurs étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs, le procédé comprenant :

- une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur puis dans un second compresseur disposés en série,

- une étape de prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise circulation de ce gaz prélevé dans au moins un moteur en vue de son refroidissement, le procédé comportant une étape de refroidissement du gaz prélevé à la sortie du au moins un compresseur et une étape de distribution et de mise en circulation en parallèle de ce gaz prélevé et refroidi dans deux moteurs distincts en vue de leurs refroidissements respectifs.

L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.

D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

- les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques et partielles illustrant respectivement deux exemples de structure et de fonctionnement d'un dispositif de compression selon l'invention,

- la figure 3 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'une machine de refroidissement comprenant un tel dispositif de compression.

Le dispositif 18 de compression représenté schématiquement à la figure 1 comprend deux compresseurs 1 , 3 centrifuges (c'est-à-dire deux roues de compresseur) formant deux étages de compression successifs.

Les deux compresseurs 1 , 3 sont entraînés chacun par un moteur 5, 6 d'entraînement respectif (de préférence électrique).

De préférence les compresseurs 1 , 3 sont entraînés en rotation de façon directe par leur moteur 5, 6 correspondants.

Le dispositif 18 comprend un circuit de gaz comprenant une première conduite 13 d'entrée de gaz à comprimer reliée l'entrée d'un premier compresseur 1 , pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur 1.

Le circuit comprend une seconde conduite 14 ayant une extrémité amont reliée à une sortie dudit premier compresseur 1 pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier. La seconde conduite 14 possède une extrémité aval reliée à une entrée du second compresseur 3, pour acheminer le gaz qui a été comprimé dans le premier compresseur 1 dans le second compresseur 3 en vue de réaliser une seconde compression (un deuxième étage de compression).

Le circuit comprend une troisième conduite 15 de refroidissement ayant une extrémité amont raccordée à la sortie du premier compresseur 1 (par exemple via la seconde conduite 14) et deux secondes extrémités aval raccordées respectivement aux entrées des deux moteur 5, 6. C'est-à-dire que par exemple, la troisième conduite 15 a une portion commune avec la seconde conduite 14.

C'est-à-dire que la troisième conduite 15 forme une dérivation de la seconde conduite 14 entre les premier 1 et second 3 compresseurs

Cette troisième conduite peut donc être une dérivation de la seconde conduite 14 (et/ou une conduite distincte).

C'est-à-dire que la troisième conduite 15 vient prélever une fraction du gaz comprimé destiné à alimenter le second compresseur 3 pour balayer (refroidir) les deux moteurs 5, 6. Cette fraction peut correspondre à un et quarante pourcent du débit de gaz sortant du premier compresseur 1.

Le débit de gaz dans chacune des deux branches alimentant respectivement les moteurs 5, 6 peut être régulé par un ensemble de vannes 7, 8 (ou tout autre organe approprié notamment un organe déprimogène tel qu'un orifice, un capillaire...). Dans l'exemple représenté, deux vannes 7, 8 situées respectivement dans les deux branches parallèles assurent ces répartitions de gaz comprimé de refroidissement vers les moteurs 5, 6.

En variante la troisième conduite 15 simple peut être dédoublée. C'est-à-dire que deux portions de conduite 15 distinctes sont raccordées respectivement aux deux branches parallèles et aux deux vannes 7, 8 ou équivalent. De même il est possible d'envisager une unique vanne de régulation située dans la portion commune aux deux branches (dans la portion de conduite entre la seconde conduite 14 et les deux branches parallèles reliées aux moteurs 5, 6).

De plus, le gaz comprimé sortant du premier compresseur 1 est de préférence refroidi, par exemple par un premier organe 2 de refroidissement du gaz tel qu'un échangeur de chaleur en échange thermique avec un fluide caloporteur. Le refroidissement du gaz destiné à alimenter les moteurs pour leur refroidissement peut être prévu sur la troisième conduite 15 (entre la seconde conduite 4 et les deux branches parallèles) et/ou en aval (sur les branches parallèles. Cet organe de refroidissement (2 ou autre) peut être dimensionné pour refroidir le gaz à une température plus basse, par exemple 0°C (par exemple via un groupe froid) pour améliorer le refroidissement du ou des moteurs.

Ainsi, le gaz est refroidi avant d'être distribué aux deux branches de la troisième conduite.

Ainsi, ce refroidissement peut être réalisé via un échangeur 2 (ou autre) à la sortie du compresseur 1 comme illustré à la figure et/ou en aval dans la dérivation 15 et/ou dans les branches via un échangeur ou tour autre organe assurant un refroidissement même limité du gaz.

C'est-à-dire que le circuit réalise une alimentation en parallèle des deux moteurs 5, 6. Après circulation dans les moteurs 5, 6, ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du premier compresseur 1 via des troisièmes conduites 11 , 12.

Les troisièmes conduites 11 , 12 peuvent être utilisées également le cas échéant pour récupérer le gaz provenant d'éventuelles fuites (au niveau par exemple de joints situés à proximité des moteurs, tels que des joints tournants par exemple).

Dans un exemple possible non limitatif, la puissance mécanique nécessaire pour comprimer un débit de 1 ,26 kg/s d'azote gazeux initialement à une pression de 5 bars absolu et une température de 288 K à pression de 18,34 bars absolu est d'environ 200 kW (100kW par moteur).

Par exemple, de l'azote est comprimé jusqu'à 8,87 bar absolu dans le premier étage de compression centrifuge (premier compresseur 1 ) ayant une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Le gaz comprimé est ensuite refroidi dans l'échangeur 2. Comme décrit ci-dessus, une partie du gaz est soutiré via les vannes 7 et 8 pour refroidir les moteurs 5 et 6.

Le débit (flux) principal est ensuite comprimé à nouveau jusqu'à une pression de 18,34 bar absolu dans le deuxième étage de compression centrifuge 3. Ce deuxième compresseur 3 a par exemple une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans un échangeur 4 de chaleur de sortie avant d'être envoyé à la sortie 20 du dispositif 18 de compression. Sur les 100kW de travail/puissance des moteurs 5, 6, typiquement 5% seront transformés en chaleur (pertes du moteur électrique et pertes par frottement du rotor avec l'azote) soit environ 5kW par moteur 5, 6.

Une partie du débit d'azote à la sortie du premier échangeur 2 de refroidissement est donc envoyée au travers d'une première vanne 7 et d'une première branche 9 vers le premier 5 moteur en vue de son refroidissement.

L'élévation de la température du gaz au travers du moteur 5 va typiquement être limitée à 30 K (pour limiter réchauffement du moteur 5) en pilotant la vanne 7.

Ceci peut se traduire par un débit massique = Puissance/Cp/deltaT = 5000/1048/30=0.159 kg/s.

Avec Cp= capacité thermique du gaz (azote dans cet exemple) en J/kg/K.... delta T = la variation de température du gaz entre les conduites 9 et 11 en K.

Puissance= les pertes du moteur à évacuer par le gaz en W. Le gaz qui a circulé dans le moteur 5 va ensuite sortir du moteur 5 via la troisième conduite 11 et rejoindre l'entrée du premier compresseur 1.

Le même processus est réalisé en parallèle pour le second moteur 6 (via la vanne 8 et les conduites 10, 12).

En sortant des deux moteurs 5, 6 via les troisièmes conduites respectives 11 , 12, l'azote à 318 K (288K+30K d'élévation) va être mélangé avec l'azote provenant de l'entrée 13 du compresseur 1. Ceci peut élever la température de l'azote à l'entrée du premier étage de compression 1 jusqu'à 294.5 K et peut provoquer une augmentation de la consommation d'énergie de cet étage de compression 1 par une augmentation du débit volumique.

Même s'il y a augmentation de la consommation énergétique, cette architecture permet au global une efficacité améliorée par rapport aux solutions connues. En effet, les températures des deux moteurs sont maîtrisées au prix d'un rendement acceptable.

Si besoin, et comme illustré schématiquement à la figure 2, un second organe 17 de refroidissement peut éventuellement être prévu dans le circuit pour refroidir le gaz sortant des moteurs 5, 6 avant son retour dans le premier compresseur 1.

C'est-à-dire que le gaz de refroidissement sortant du ou des moteurs 5, 6 peut être refroidi au travers par exemple d'un échangeur 17 de chaleur avant de rejoindre le circuit principal du compresseur 1. L'efficacité du dispositif est améliorée en abaissant la température du gaz de refroidissement avant de le renvoyer à l'entrée du compresseur 1.

Ce gaz de refroidissement provenant des moteurs 5, 6 via les troisièmes conduites 11 , 12 est refroidi de préférence jusqu'à une température proche ou égale à la température du gaz à l'entrée 13 du compresseur 1.

Dans l'exemple de la figure 6, la puissance mécanique nécessaire pour comprimer un débit de 1 ,26 kg/s d'azote gazeux ayant une pression initiale de 5 bars absolu et une température de 288 K jusqu'à une 18,34 bars absolu est de 198 kW environ (98kW pour le premier moteur 5 et 100kW pour le second moteur 6).

Il y a ainsi une diminution de 1 % de la puissance consommée par rapport au dispositif précédent.

L'azote est comprimé jusqu'à 8,87 bar absolu dans le premier étage de compression centrifuge 1 ayant par exemple une puissance de 93 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans l'échangeur 2. Une partie du gaz est soutiré via les vannes 7, 8 pour refroidir les moteurs 5, 6.

Le débit principal est quant à lui ensuite comprimé jusqu'à 18,34 bar absolu dans le deuxième étage de compression centrifuge 3. Ce second étage de compression a par exemple une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans le second échangeur 4 de chaleur avant d'être envoyé à la sortie 20 du dispositif de compression (ici sortie du second compresseur 3). Sur les 98kW et 100kW de puissances fournies respectivement par les moteurs 5, 6, typiquement 5% sera transformée en chaleur (pertes du moteur électrique, pertes par frottement du rotor avec l'azote...) soit environ 5kW par moteur 5, 6.

Une partie du débit d'azote à la sortie du premier échangeur 2 de refroidissement va être envoyé au travers de la première vanne 7 et de la branche 9 vers le moteur 5 pour son refroidissement. L'élévation de la température du gaz au travers du moteur 5 va typiquement être limitée à 30 K (pour limiter échauffement du moteur 5) en pilotant la vanne 7.

Comme précédemment, ceci va se traduire par un débit de débit massique égale à Puissance/Cp/deltaT = 5000/1048/30=0.159 kg/s. L'azote va ensuite s'échapper du moteur 5 via la troisième conduite 11 et rejoindre l'échangeur de chaleur 17 avant de retourner à l'entrée du premier compresseur 1.

Le même processus est réalisé pour l'autre moteur 6 (gaz de refroidissement via la vanne 8, les conduites 10 et 12 et l'échangeur 17).

En sortant de l'échangeur de chaleur 17, l'azote à 288 K va être mélangé avec l'azote provenant de l'entrée 13 du compresseur 1. Ceci ne va pas avoir de conséquence sur la température de l'azote à l'entrée du premier étage 1 (contrairement au dispositif précédent). Le rendement global est amélioré.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée à ces exemples de réalisation.

Par exemple, le gaz refroidi utilisé pour le refroidissement des moteurs 5, 6 peut être prélevé à la sortie d'un second 3 étage de compression et/ou étage ultérieur de compression.

De plus, plusieurs étages de compression pourraient être entraînés par un même moteur. De même un ou plusieurs étages de détente (turbine(s)) peuvent être accouplées à au moins un des moteurs.

En outre, en plus du ou des étages de compression 1 , 2, un ou des étages de détente (turbine(s) de préférence centripète(s)) peuvent être montées sur le même arbre moteur qu'un ou plusieurs compresseurs.

De plus, au moins une vanne de bypass peut être montée sur le circuit de refroidissement de manière à limiter le débit traversant un ou des moteurs.

Le débit de gaz refroidissement vers un moteur 5, 6 peut être ajusté par un ou des organes 7, 8 de détente. Ce ou ces organes peuvent avantageusement être réglables de manière à asservir par exemple la température d'un ou des moteurs et/ou le débit de refroidissement et/ou la température du gaz de refroidissement.

De plus ces organes de détente 7, 8 peuvent le cas échéant refroidir le gaz avant son entrée dans le ou les moteurs.

Ainsi, les vannes 7, 8 peuvent être remplacées ou associées à une ou des turbines et/ou des tubes de Ranque (tube Vortex). De même ces organes 7, 8 peuvent être situés sur la conduite 15 entre la seconde conduite 14 et les deux branches parallèles.

De plus, des joints tournants peuvent être utilisés entre le ou les moteurs 5, 6 et le ou les étages de compression 1 , 3 ou le ou les étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du moteur soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée 13 du compresseur. Ceci a pour conséquence d'abaisser les pertes par friction entre le ou les rotors et le gaz car ces pertes sont proportionnelles à la pression dans la cavité du moteur.

Comme schématisé à la figure 3, le dispositif 18 de compression peut faire partie d'une machine de réfrigération à basse température, par exemple comprise entre -100°C et -273°C, et comprenant un circuit de travail 10 contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif 18 de compression centrifuge et un dispositif 19 de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif 18 de compression.

Le gaz de travail peut comprendre tout ou partie parmi : de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'argon, du monoxyde de carbone, du méthane, du krypton, du xénon, de l'éthane, du dioxyde de carbone, du propane, du butane, de l'oxygène.