Domaine technique

L'invention concerne un dispositif à échangeurs de chaleur destiné à vaporiser d'importants flux massiques de gaz naturel liquéfié, également désigné par LNG (Liquified Naturel Gas), qui a été liquéfié pour le transport et le stockage provisoire et qui a une température d'environ -161 °C à la pression atmosphérique selon la proportion de méthane à l'état liquide.

Le gaz naturel est introduit sous forme de vapeur surchauffée dans un pipeline à la pression du réseau après la vaporisation dans des échangeurs de chaleur qui représentent au moins une partie du dispositif.

Le gaz naturel liquéfié (LNG) est porté à une pression élevée au moyen de pompes puis vaporisé par apport de chaleur. Technique antérieure

Dans un dispositif selon le document DE 102010056580 ayant la même date de dépôt, la vaporisation et la surchauffe du LNG sont réalisées dans des sous-systèmes qui utilisent chacun des technologies différentes.

Les sous-systèmes de ce dispositif sont reliés de façon à communiquer du côté du LNG et sont traversés successivement par le LNG.

Dans une première sous-étape, la différence de température entre la température ambiante et la température extrêmement basse du gaz naturel liquéfié est utilisée pour générer de l'énergie mécanique à l'aide d'un processus de type centrale électrique. L'énergie mécanique est utilisée pour générer un courant. Le faible niveau de température du gaz naturel liquéfié LNG y constitue la source froide par rapport à la température ambiante.

Dans une deuxième sous-étape, ce dispositif utilise de la chaleur ambiante provenant de l'air comme source de chaleur pour vaporiser et surchauffer le LNG, la chaleur étant transportée du milieu ambiant vers le fluide chaud dans un agencement avantageux au moyen d'un fluide caloporteur volatile, par exemple du propane, en modifiant l'état du fluide chaud de l'échangeur de chaleur à LNG par condensation et l'état du fluide au niveau de la source de chaleur de l'échangeur de chaleur à air par vaporisation selon le principe d'un échangeur de chaleur tubulaire de sorte que la différence de pression pour transporter le fluide caloporteur volatile sert seulement à surmonter les résistances à l'écoulement et les pressions géodésiques à l'intérieur de cette section.

Ce sous-système sera désigné ici par circuit de pompage.

Dans une troisième sous-étape, le dispositif utilise une pompe à chaleur qui est réalisée sous la forme d'un processus cyclique à circulation anti-horaire, constituée d'au moins un vaporiseur, un compresseur, un condenseur et un dispositif d'expansion, le vaporiseur prenant la chaleur ambiante dans l'air et le condenseur fournissant la chaleur au côté du fluide chaud de l'échangeur de chaleur à LNG.

L'inconvénient est que de grandes dépenses sont nécessaires pour trois circuits de fluide séparés comportant des réservoirs, des liaisons par canalisations, des dispositifs de sécurité et des échangeurs de chaleur.

Exposé de l'invention

Le but de l'invention est de pallier ces inconvénients grâce à une nouvelle disposition des deuxième et troisième sous-systèmes et d'abaisser les coûts d'une telle installation.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif à échangeurs de chaleur pour chauffer et vaporiser par étapes du gaz naturel liquéfié au moyen d'un fluide de travail avec un changement de phase du fluide de travail qui est présent en circulation au moins dans un échangeur de chaleur tubulaire et pour la circulation duquel il est prévu une pompe de circulation ou un système à thermosiphon, le dispositif comportant un compresseur, un échangeur de chaleur aval, un échangeur de chaleur intermédiaire et un organe d'étranglement qui forment un circuit de refroidissement à circulation antihoraire et forment une pompe à chaleur en utilisant le côté chaud de l'échangeur de chaleur aval contre les surfaces duquel portent d'un côté le fluide de travail et de l'autre côté le gaz naturel, caractérisé en ce qu'il est prévu des composants communs pour l'échangeur de chaleur tubulaire et pour la pompe à chaleur, un échangeur de chaleur à air commun étant prévu comme source de chaleur pour l'échangeur de chaleur tubulaire et pour la pompe à chaleur, en ce qu'un réservoir de fluide commun est prévu pour l'échangeur de chaleur tubulaire et pour la pompe à chaleur et en ce que la pompe de circulation ou le système à thermo-siphon est prévu en commun pour l'échangeur de chaleur tubulaire et pour la pompe à chaleur.

Un dispositif à échangeurs de chaleur selon l'invention peut présenter avantageusement les particularités suivantes:

- au moins le réservoir de fluide est doté de moyens de séparation de vapeur et de liquide, l'échangeur de chaleur intermédiaire est doté de surfaces d'échange de chaleur entre le côté du fluide de travail et le côté du LNG et l'échangeur de chaleur à air est doté de surfaces d'échange de chaleur entre l'air extérieur et le côté du fluide de travail ;

- l'échangeur de chaleur intermédiaire comporte des surfaces d'échange de chaleur entre le côté du fluide de travail et le côté du LNG et l'échangeur de chaleur à air comporte des surfaces d'échange de chaleur entre l'air extérieur et le côté du fluide de travail ;

- le réservoir de fluide comporte un fond et une partie supérieure, le fond étant relié à l'échangeur de chaleur à air par des canalisations et par la pompe de circulation et la partie supérieure du réservoir de fluide étant reliée en premier lieu au retour de l'échangeur de chaleur à air, en second lieu à la canalisation d'aspiration du compresseur et en troisième lieu à l'échangeur de chaleur intermédiaire qui comporte du côté du LNG et du côté du fluide de travail des tubulures d'entrée et de sortie et dont le retour de fluide est relié du côté du fluide de travail au fond du réservoir de fluide, et le réservoir de fluide étant relié au côté du fluide de travail de l'échangeur de chaleur aval par une canalisation et l'organe d'étranglement ;

- le fluide de travail est du propane. Selon l'invention, un circuit de pompage et une pompe à chaleur qui sont utilisés successivement pour chauffer le LNG, forment un système intégré dont les composants sont utilisés en commun.

Le système intégré contient donc un circuit de pompage et une pompe à chaleur.

Le circuit de pompage et la pompe à chaleur utilisent donc le même fluide de travail et de circulation.

Le système est caractérisé par un réservoir de fluide unique pour le fluide de travail et par un échangeur de chaleur à air unique. Un réfrigérant liquide est amené du fond du réservoir de fluide vers l'échangeur de chaleur à air à l'aide d'une pompe de circulation pour y être vaporisé.

La vapeur est ramenée dans la partie supérieure du réservoir de fluide. La partie supérieure du réservoir de fluide est d'une part reliée au moyen d'une canalisation à l'échangeur de chaleur intermédiaire où le fluide de circulation est condensé et ramené dans le réservoir de fluide par le retour de fluide. La partie supérieure du réservoir de fluide est d'autre part reliée à la conduite d'aspiration du compresseur qui aspire le fluide de travail et le comprime à une pression plus importante de sorte que la température de condensation dans l'échangeur de chaleur aval est suffisamment élevée pour chauffer le gaz naturel de la façon souhaitée, par exemple à +2°C.

Le fluide de travail est liquéfié par cette perte de chaleur. Il est ramené dans le réservoir de fluide par une canalisation de fluide et un organe de détente régulé, par exemple une soupape à flotteur ou un système à flotteur haute pression.

Le dispositif selon l'invention utilise exclusivement la chaleur ambiante de l'air pour vaporiser à nouveau le LNG.

Le dispositif selon l'invention réduit les circuits à un système, utilise moins de réservoirs, de liaisons par canalisations, de dispositifs de sécurité et d'échangeurs de chaleur. Le circuit de pompage et la pompe à chaleur, qui sont utilisés successivement pour chauffer le LNG, forment un système intégré dont les composants sont utilisés en commun.

Les coûts d'une telle installation sont abaissés par le nouveau dispositif.

Description sommaire des dessins

L'invention est expliquée dans la suite en s'appuyant sur des exemples. La figure 1 représente un dispositif selon le document DE 102010056580 ayant la même date de dépôt pour vaporiser et surchauffer du LNG en trois sous-étapes.

La figure 2 représente un schéma de principe simplifié du dispositif selon l'invention du sous-système intégré constitué d'un échangeur de chaleur tubulaire et d'une pompe à chaleur. Description des modes de réalisation

La vaporisation et la surchauffe du gaz naturel liquéfié LNG sont réalisées selon la figure 1 en trois sous-étapes, dans le processus à vapeur motrice 1 à circulation horaire, le circuit de pompage 2, le circuit de pompe à chaleur 3 qui utilisent chacun des technologies différentes.

Les trois sous-systèmes du dispositif sont reliés de façon à communiquer du côté du LNG par les sections de canalisations à LNG 13 et sont traversés successivement par le LNG.

Le premier sous-système utilise la différence de température entre la température ambiante et la température du gaz naturel liquéfié pour générer de l'énergie mécanique à l'aide d'un procédé de type centrale électrique.

Le premier sous-système, le processus à vapeur motrice 1 à circulation horaire, comporte un vaporiseur 4 qui est alimenté avec la chaleur provenant de l'environnement afin de vaporiser le fluide de travail, une turbine 7 dans laquelle le fluide de travail est détendu de la pression du vaporiseur à la pression du condenseur. La chaleur de condensation dans le condenseur 9 destinée à refroidir et condenser le fluide de travail détendu est dissipée dans le gaz naturel liquéfié froid du côté du LNG. La vapeur est transformée en liquide, et la pompe d'alimentation 8 transporte le fluide de travail à la pression de vaporisation vers le vaporiseur 4 où le fluide de travail est de nouveau vaporisé.

Le vaporiseur 4 est aussi chauffé avec l'air ambiant. Le condenseur 9 est refroidi avec le gaz naturel liquéfié qui se réchauffe par voie de conséquence. La montée en température se fait à partir du bilan thermique entre la chaleur de condensation et de déperdition thermique disponible du processus cyclique et la chaleur nécessaire pour chauffer le LNG.

Le résultat est que la chaleur de condensation dans la première section menant au côté du fluide chauffant de l'échangeur de chaleur à LNG dans le condenseur 9 est délivrée au LNG, et du travail mécanique est en outre produit au niveau de la turbine 7. On utilise comme fluide de travail du R14 dont la température critique est supérieure à la température de condensation. La température de la source de chaleur de l'environnement est, pour le R14, également inférieure à la température critique.

Le deuxième sous-système, le circuit de pompage 2, comporte des échangeurs de chaleur 5, 1 1 et la pompe de circulation 10.

L'échangeur de chaleur 5 retire de la chaleur de l'air ambiant pendant la vaporisation du fluide de circulation. La chaleur est transportée vers l'échangeur de chaleur 1 1 au moyen du fluide de circulation où celui-ci est condensé. La pompe de circulation 10 refoule de nouveau le fluide vers l'échangeur de chaleur 5.

Le circuit est ainsi fermé.

Le troisième sous-système, le circuit de pompe à chaleur 3, comporte un vaporiseur de pompe à chaleur 6 qui retire de la chaleur de l'air ambiant car la température de vaporisation est maintenue au-dessous de la température ambiante pendant la vaporisation du fluide de travail. Le fluide de travail est comprimé dans le compresseur de pompe à chaleur 14 à une pression plus élevée de sorte que la température de condensation dans le condenseur de pompe à chaleur 12 devient supérieure à la température ambiante. Ainsi, le gaz naturel (Natural Gaz, NG) peut être chauffé à la température souhaitée. Après liquéfaction, le fluide de travail est de nouveau détendu au niveau de l'organe de détente de pompe à chaleur 15 à la pression de vaporisation. Le circuit est fermé.

La solution de l'invention, consistant à intégrer le circuit de pompage 2 et le circuit de pompe à chaleur 3 dans un système à composants communs, est représentée dans la figure 2.

Le sous-système de la figure 2 est caractérisé par un réservoir de fluide 67 unique pour le fluide de travail propane et un échangeur de chaleur à air 72 unique. Du réfrigérant liquide est amené au moyen d'une pompe de circulation 73 du fond du réservoir de fluide 67 à l'échangeur de chaleur à air 72 pour y être vaporisé.

La vapeur retourne dans la partie supérieure du réservoir de fluide 67. La partie supérieure du réservoir de fluide 67 est d'une part reliée au moyen d'une canalisation à l'échangeur de chaleur intermédiaire 69 où le propane est condensé et ramené dans le réservoir de fluide 67 par le retour de fluide 71 . La hauteur de surélévation de la colonne de liquide dans le retour de fluide 71 surmonte alors la chute de pression de la vapeur de propane à travers la canalisation de vapeur 70 et à travers l'échangeur de chaleur intermédiaire 69.

La partie supérieure du réservoir de fluide 67 est d'autre part reliée à la conduite d'aspiration du compresseur 61 qui aspire le fluide de travail et le comprime à une pression plus élevée de sorte que la température de condensation dans l'échangeur de chaleur aval 63 est suffisamment élevée pour chauffer le gaz naturel de la façon souhaitée, par exemple à +2°C.

Le fluide de travail est liquéfié par cette perte de chaleur. Il s'écoule dans une canalisation de fluide 65 et dans le système à flotteur haute pression 66 où le condensât se détend dans le réservoir de fluide 67 de sorte que le fluide est décomposé en vapeur et en liquide.

Ce propane liquide et le condensât de propane provenant de l'échangeur de chaleur intermédiaire 69 sont collectés au fond du réservoir de fluide 67 et sont acheminés au moyen de la pompe de circulation 73 vers l'échangeur de chaleur à air 72 où ils sont vaporisés par la chaleur ambiante. La pompe à chaleur possède, en plus du compresseur 61 et du séparateur d'huile 62 qui sont rassemblés en une unité de compresseur 60, la soupape de dérivation 64 qui permet de contourner l'échangeur de chaleur aval 63.

Le circuit de pompage et la pompe à chaleur, qui sont utilisés successivement pour chauffer le LNG, forment un système intégré dont les composants sont utilisés en commun.

Le dispositif de l'invention réduit le nombre de composants, de liaisons par canalisations, de dispositifs de sécurité et d'échangeurs de chaleur.

Le nouveau dispositif permet d'abaisser les coûts de fabrication et les dépenses d'entretien.

En variante, comme représenté en trait interrompus sur la figure 2, selon l'invention, le fluide de travail peut être utilisé pour alimenter un circuit de dégivrage 100 de l'échangeur de chaleur à air 72. Ce circuit de dégivrage 100 est de préférence raccordé aux entrées et aux sorties de l'échangeur de chaleur à air 72 et comprend des vannes de dérivation commandées par une unité de contrôle/commande (non représentée) de telle manière que le flux de fluide de travail sous forme vapeur qui sort en haute température du compresseur 61 soit dérivé dans le circuit 100 pour réchauffer de façon sélective l'échangeur de chaleur à air 72 positionné alors en cycle de dégivrage. Le circuit 100 est raccordé à l'échangeur de chaleur à air 72 de telle manière qu'en cycle de dégivrage, l'échangeur de chaleur à air 72 devient un condenseur isolé de fluide de travail et est alimenté par du fluide de travail chaud sous forme de vapeur qui cède sa chaleur pour dégivrer les ailettes de l'échangeur de chaleur à air 72 de manière très efficace. Un tel circuit de dégivrage est beaucoup plus efficace qu'un chauffage externe par résistance électrique par exemple. Références utilisées

1 Processus à vapeur motrice avec circulation horaire

2 Circuit de pompage

3 Circuit de pompe à chaleur

4 Vaporiseur

5 Echangeur de chaleur

6 Vaporiseur de pompe à chaleur

7 Turbine

8 Pompe d'alimentation

9 Condenseur

10 Pompe de circulation

1 1 Echangeur de chaleur

12 Condenseur de pompe à chaleur

13 Section de canalisation LNG

14 Compresseur de pompe à chaleur

60 Unité de compresseur

61 Compresseur

62 Séparateur d'huile

63 Echangeur de chaleur aval

64 Soupape de dérivation

65 Canalisation de fluide

66 Système à flotteur haute pression

67 Réservoir de fluide

68 Canalisation de liaison de LNG

69 Echangeur de chaleur intermédiaire

70 Canalisation de vapeur

71 Retour de fluide

72 Echangeur de chaleur à air

73 Pompe de circulation

74 Canalisation intermédiaire de LNG