L'invention concerne un dispositif et une installation de réfrigération.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération à basse température, c'est-à-dire à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade et notamment entre moins 100 degrés centigrade et moins 253 degrés centigrade, comprenant un circuit de travail formant une boucle et contenant un fluide de travail, le circuit de travail formant un cycle comprenant en série: un mécanisme de compression du fluide de travail, un mécanisme de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme de détente du fluide de travail et un mécanisme de réchauffement du fluide de travail, le dispositif comprenant un échangeur de chaleur de réfrigération destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe par échange de chaleur avec le fluide de travail circulant dans le circuit de travail, le mécanisme de compression comprenant deux compresseurs distincts, le mécanisme de refroidissement du fluide de travail comprenant deux échangeurs de chaleur de refroidissement disposés respectivement à la sortie des deux compresseurs et assurant un échange de chaleur entre le fluide de travail et un fluide de refroidissement, chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprenant une entrée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement .

Par dispositif de réfrigération à basse température, on désigne un système de réfrigération à une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, notamment entre moins 100 degrés centigrade et moins 253 degrés centigrade .

L'invention concerne en particulier les réfrigérateurs et/ou liquéfacteurs cryogéniques, par exemple du type à cycle « Turbo Brayton » ou « refroidisseurs Turbo Brayton » dans lequel un gaz de travail, encore appelé gaz de cycle (hélium, azote, hydrogène ou autre gaz pur ou mélange), subit un cycle thermodynamique produisant du froid qui peut être transféré à une organe ou un gaz devant être refroidi.

Ces dispositifs sont utilisés dans une grande variété d'application et notamment pour refroidir du gaz naturel d'un réservoir (par exemple dans des bateaux). Le gaz naturel liquéfié est par exemple sous-refroidi pour éviter sa vaporisation ou la partie gazeuse est refroidie en vue de sa reliquéfaction.

Par exemple, un flux de gaz naturel peut être mis en circulation dans un échangeur de chaleur refroidi par le gaz de cycle du réfrigérateur/liquéfacteur .

Ces dispositifs peuvent comprendre plusieurs échangeurs de chaleurs interposés à la sortie des étages de compression. Ces dispositifs sont intégrés dans un bâtis ou cadre dont le volume est limité. L'intégration de ces divers échangeurs et des tuyauteries associées sont ainsi rendus difficiles. Le refroidissement du gaz de travail peut dans certains cas être problématique .

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 sortie de fluide de refroidissement de l'un des deux échangeur de chaleur de refroidissement est raccordée à l'entrée de fluide de refroidissement de l'autre échangeur de chaleur de refroidissement de sorte que du flux de fluide de refroidissement transitant dans l'un des échangeurs de chaleur de refroidissement a déjà circulé dans l'autre échangeur de chaleur de refroidissement.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : les deux compresseurs sont disposés en série dans le circuit de travail. le circuit de réfrigérant alimente en fluide de refroidissement d'abord le premier échangeur de chaleur de refroidissement en série selon le selon le sens de circulation du fluide de travail, puis le second échangeur de chaleur de refroidissement en série selon le selon le sens de circulation du fluide de travail étant alimenté en fluide de refroidissement ayant transité dans le premier échangeur de chaleur de refroidissement, le circuit de réfrigérant alimente en fluide de refroidissement d'abord le second échangeur de chaleur de refroidissement en série selon le selon le sens de circulation du fluide de travail, le premier échangeur de chaleur de refroidissement en série selon le selon le sens de circulation du fluide de travail étant alimenté en fluide de refroidissement ayant transité dans le second échangeur de chaleur de refroidissement, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement ont chacun une forme oblongue s'étendant selon une direction longitudinale respective, chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprenant une entrée de gaz de travail à refroidir et une sortie de gaz de travail refroidi disposées respectivement au niveau de deux extrémités longitudinales, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement étant agencés de façon inversée, c'est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeur de chaleur de refroidissement sont parallèles ou sensiblement parallèles et les sens de circulation du fluide de travail dans lesdits échangeur de chaleur de refroidissement sont opposés, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement sont situés de façon adjacente c'est-à-dire espacés d'une distance comprise entre zéro et 500mm notamment entre 100 et 300mm, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement sont intégrés dans un même carter comprenant deux passages distincts de circulation du fluide de travail, lesdits deux passages étant en échange thermiques respectivement avec deux portions en série d'un même canal de circulation du circuit de fluide de refroidissement .

L'invention concerne également une installation de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un flux de fluide utilisateur, notamment du gaz naturel, comprenant un tel dispositif de réfrigération, l'installation comprenant au moins un réservoir de fluide utilisateur, une conduite de circulation dudit flux de fluide utilisateur dans l'échangeur de refroidissement.

Selon d'autres particularités possibles le mécanisme de compression comprend deux ou plus compresseurs et au moins un moteur d'entraînement en rotation du ou des compresseurs et comprenant un arbre d'entraînement rotatif, les compresseurs étant entraînés en rotation par le ou les arbres rotatifs respectifs, le mécanisme de détente du fluide de travail comprenant au moins un turbine rotative solidaire en rotation d'un arbre d'un des moteurs d'entraînement d'au moins un compresseur, la puissance de réfrigération du dispositif de réfrigération étant variable et contrôlée par un contrôleur régulant la vitesse de rotation du ou des moteurs d'entraînement. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci- dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

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

[Fig. 1] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif et d'installation pouvant mettre en œuvre l'invention,

[Fig. 2] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif et de l'installation selon une variante de réalisation de l'agencement de deux échangeurs de chaleur de refroidissement,

[Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif et d'installation pouvant mettre en œuvre l'invention selon un autre exemple de réalisation,

[Fig. 4] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif et de l'installation selon une variante de réalisation possible de l'agence de deux échangeurs de chaleur de refroidissement.

L'installation de refroidissement et/ou de liquéfaction de la [Fig. 1] ou [Fig. 4] comprend un dispositif 1 de réfrigération fournissant du froid (une puissance de refroidissement) au niveau d'un l'échangeur 8 de chaleur de réfrigération.

L'installation comprend une conduite 125 de circulation d'un flux de fluide à refroidir mis en échange thermique avec cet échangeur 8 de refroidissement. Par exemple, le fluide est du gaz naturel liquide pompé dans un réservoir 16 (par exemple via une pompe), puis est refroidi (de préférence hors du réservoir 16) puis renvoyé dans le réservoir 16 (par exemple en pluie dans la phase gazeuse du réservoir 16). Ceci permet de refroidir ou sous-refroidir le contenu du réservoir 16 et de limiter les phénomènes de vaporisation. Par exemple, le liquide du réservoir 16 est sous refroidi en-dessous de sa température de saturation (baisse de sa température de plusieurs degrés K notamment 5 à 20K et notamment 14K) avant d'être réinjecté dans le réservoir 16. En variante cette réfrigération peut être apportée au gaz de vaporisation du réservoir en vue notamment de sa reliquéfaction. C'est-à-dire que le dispositif 1 de réfrigération produit une puissance froide au niveau de l'échangeur 8 de chaleur de réfrigération. Le dispositif 1 de réfrigération comprend un circuit de travail 10 (de préférence fermé) formant une boucle de circulation. Ce circuit 10 de travail contient un fluide de travail (hélium, azote, néon, hydrogène ou autre outre gaz ou mélange approprié (par exemple hélium et argon ou hélium et azote ou hélium et néon ou hélium et azote et néon).

Le circuit 10 de travail forme un cycle comprenant: un mécanisme 2, 3 de compression du fluide de travail, un mécanisme 4, 5, 6 de refroidissement du fluide de travail, un mécanisme 7 de détente du fluide de travail et un mécanisme 6 de réchauffement du fluide de travail.

Le dispositif 1 comprend un échangeur 8 de chaleur de réfrigération situé en aval du mécanisme 7 de détente et destiné à extraire de la chaleur à au moins un organe 25 par échange de chaleur avec le fluide de travail froid circulant dans le circuit 10 de travail.

Les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail peuvent comprendre classiquement un échangeur 6 de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit 10 de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé.

L'échangeur 8 de chaleur de refroidissement est situé par exemple entre le mécanisme 7 de détente et l'échangeur 6 de chaleur commun. Comme illustré, l'échangeur 8 de chaleur de refroidissement peut être un échangeur de chaleur distinct de l'échangeur 6 de chaleur commun. Cependant, en variante, cet échangeur 8 de chaleur de chaleur de réfrigération pourrait être constitué d'une portion de l'échangeur 6 de chaleur commun (c'est-à-dire que les deux échangeurs 6, 8 peuvent être monoblocs, c'est-à-dire peuvent avoir des circuits de fluides distincts qui partagent une même structure d'échange). Ainsi, le fluide de travail qui sort relativement chaud du mécanisme 2, 3 de compression est refroidi dans l'échangeur 6 de chaleur commun avant d'entrer dans le mécanisme de détente 7. Le fluide de travail qui sort relativement froid du mécanisme 7 de détente et de l'échangeur de chaleur 8 de refroidissement est quant à lui réchauffé dans l'échangeur 6 de chaleur commun avant de retourner dans le mécanisme de compression 2 3 en vue de recommencer un nouveau cycle.

Le mécanisme 2, 3 de compression comprend au moins deux compresseurs et au moins un moteur 14, 15 d'entraînement des compresseurs 2, 3. De plus, de préférence la puissance de réfrigération du dispositif est variable et peut être contrôlée en régulant la vitesse de rotation du ou des moteurs 14, 15 d'entraînement (vitesse de cycle). De préférence la puissance froide produite par le dispositif 1 peut être adaptée de 0 à 100% d'une puissance nominale ou maximale en changeant la vitesse de rotation du ou des moteurs 14, 15 entre une vitesse de rotation nulle et une vitesse maximale ou nominale. Une telle architecture permet de maintenir un rendement élevé sur une large plage de fonctionnement (par exemple 97% de rendement nominal à 50% de la puissance froide nominale).

Dans l'exemple non limitatif représenté, le dispositif 1 de réfrigération comprend deux compresseurs 2, 3 en série. Ces deux compresseurs 2, 3 peuvent être entraînés respectivement par deux moteurs 14, 15 distincts. Une turbine 7 peut être accouplée à l'arbre d'entraînement d'un 15 des deux moteurs. Par exemple un premier moteur 14 entraîne uniquement un compresseur 3 (moto- compresseur) tandis que l'autre moteur 15 entraîne un compresseur 2 et est accouplé à une turbine 7 (moto- turbocompresseur) .

Par exemple, le dispositif 1 comprend deux moteurs 14, 15 à haute vitesse (par exemple 10000 tours par minute ou plusieurs dizaines de milliers de tours par minute) d'entrainement respectifs des étages de compression 2, 3. La turbine 7 peut être accouplée au moteur 15 de l'un des étages de compression 2, 3, c'est-à-dire que le dispositif peut posséder une turbine 7 constituant le mécanisme de détente qui est accouplée au moteur 15 d'entraînement d'un étage de compression (le premier ou le second) .

Ainsi, la puissance de la ou des turbines 7 peut être avantageusement récupérée et utilisée pour réduire la consommation du ou des moteurs. Ainsi, en augmentant la vitesse des moteurs (et donc le débit dans le cycle du gaz de travail), on augmente la puissance de réfrigération produite et donc la consommation électrique du liquéfacteur (et inversement). Les compresseurs 2, 3 et turbine(s) 7 sont de préférence accouplés de façon directe à un arbre de sortie du moteur concerné (sans mécanisme de transmission de mouvement à engrenages).

Les arbres de sortie des moteurs sont de préférence montés sur des paliers de type magnétique ou de type dynamique à gaz. Les paliers sont utilisés pour sustenter les compresseurs et les turbines .

Dans l'exemple représenté, le dispositif 1 de réfrigération comprend deux compresseurs 2, 3 formant deux étages de compression et une turbine 7 de détente. C'est-à-dire que le mécanisme de compression comprend deux compresseurs 2, 3 en série, de préférence du type centrifuge et le mécanisme de détente comprend une unique turbine 7, de préférence centripète. Bien entendu, tout autre nombre et arrangement de compresseur (s), turbine(s) et moteur(s) peut être envisagé, par exemple : trois compresseurs entraînés respectivement par trois moteurs distincts, la turbine étant par exemple accouplée à une extrémité de l'arbre d'entraînement d'un de ces moteurs ou trois compresseurs et deux turbines. De même le dispositif pourrait comprendre deux compresseurs et deux turbines ou trois compresseurs et deux ou trois turbines...Chaque moteur peut comprend un arbre dont une extrémité entraîne une seule ou plusieurs roue (turbine ou compresseur) et dont l'autre extrémité est accouplée une ou plusieurs roues (turbine ou compresseur) ou n'est accouplée à aucune roue.

Comme illustré, un échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement est prévu à la sortie de deux compresseur 2, 3 (par exemple un refroidissement par échange de chaleur avec de l'eau à température ambiante ou tout autre fluide ou agent de refroidissement d'un circuit 26 de réfrigérant).

Ceci permet de réaliser une compression isentropique ou isotherme ou sensiblement isotherme. De même, un échangeur de réchauffage peut être prévu ou non en sortie de tout ou partie des turbines 7 de détente pour réaliser une détente isentropique ou isotherme. De préférence également, les réchauffage et refroidissement du fluide de travail sont de préférence isobares sans que ceci soit limitatif.

Chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement comprend une entrée 24, 25 de fluide de refroidissement et une sortie 34, 35 de fluide de refroidissement. Selon une particularité avantageuse, la sortie 34 de fluide de refroidissement de l'un des deux échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement est raccordée à l'entrée 25 de fluide de refroidissement de l'autre échangeur 5 de chaleur de refroidissement de sorte que du flux de fluide de refroidissement transitant dans l'un 5 des échangeurs de chaleur de refroidissement a déjà circulé dans l'autre échangeur de chaleur 4 de refroidissement.

Ceci permet aux deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement de recevoir 100% d'un flux de fluide de refroidissement (au lieu de subdiviser ce flux en deux moitiés réparties respectivement dans les deux échangeurs 4, 5).

De préférence, le fluide de refroidissement ne réalise qu'un passage dans chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement. C'est-à-dire que lorsque le fluide refroidissement a effectué un passage et a échangé avec le fluide de travail il n'y revient pas après avoir réalisé par exemple un autre échange dans un autre échangeur de chaleur de refroidissement.

Par exemple, de préférence, chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement comprend une unique entrée 24, 25 de fluide de refroidissement et une sortie 34, 35 de fluide de refroidissement (permettant ainsi un seul de passage dans ledit échangeur de chaleur de refroidissement à une température donnée, c'est-à- dire qu'il n'y a pas plusieurs passages simultanés du fluide de refroidissement dans l'échangeur de chaleur de refroidissement à des températures ou conditions thermodynamiques différentes).

En particulier, lorsque le fluide de refroidissement a transité dans chacun des échangeurs de chaleur de refroidissement il ne repasse pas dans l'un ou l'autre des échangeurs.

De préférence, ceci s'applique pour tous les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement. Ceci améliore également l'efficacité du refroidissement et du dispositif en entier.

Cette augmentation relative du débit de fluide de refroidissement permet ainsi d'augmenter le coefficient d'échange thermique et donc améliore la qualité et la fiabilité du refroidissement. De plus, cette solution permet d'éviter des problèmes inhérents à la solution connue dans laquelle deux débits peuvent diverger au sein des deux échangeurs de chaleur (du fait notamment des pertes de charges qui peuvent varier d'un circuit ou échangeur à l'autre).

Comme explicité plus en détail ci-après, cette arrangement permet en outre de simplifier le réseau de conduites de fluide de refroidissement et de gaz de travail à destination des échangeurs de chaleur 4, 5 ou provenant des échangeurs de chaleur 4, 5. En particulier, cet agencement permet avec plus de facilité d'agencer les circuits de circulation des fluides (refroidissement et de travail) dans un espace réduit en permettant des circulation à contre-courant entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement, ceci en réduisant le nombre et/ou la longueurs des conduites transportant ces fluides.

Comme représenté à la [Fig. 1], par exemple le circuit 26 de réfrigérant alimente en fluide de refroidissement d'abord le premier échangeur 4 de chaleur de refroidissement puis ensuite le second échangeur 5 de chaleur de refroidissement (les qualificatif « premier » et « second » faisant référence au premier et second étage de compression dans le sens de circulation du fluide de travail).

Bien entendu, comme représenté à la [Fig. 2] l'agencement contraire peut être envisagée (circulation du fluide de refroidissement d'abord dans le second 5 échangeur de chaleur puis ensuite dans le premier 4 échangeur de chaleur).

Comme illustré, dans les deux cas, les sens de circulation des deux fluides (fluide de travail à refroidir et fluide de refroidissement relativement plus froid) transitent de préférence à contre-courant ou sens opposés dans chaque échangeur.

Comme illustré aux figures [Fig. 1] et [Fig. 2], la liaison fluidique entre les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement pour faire transiter le fluide de refroidissement être simplifiée et réduite. Ce transfert peut de fluide de refroidissement d'un échangeur 4, 5 de refroidissement à l'autre peut notamment être réalisée par une portion de tube courte et soudée, voir un simple tube ou raccord entre les deux échangeurs 4, 5 de chaleur.

Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent en particulier être disposés de façon adjacente, notamment accolés. Ceci optimise l'encombrement du dispositif. Par exemple les deux échangeurs 4, 5 sont côte-à-côte dans un plan horizontal ou l'un au-dessus de l'autre dans un plan vertical.

Comme illustré à la [Fig. 4], les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent même être intégrés dans un même carter 45 ou boîtier comprenant deux passages distincts de circulation du fluide de travail, lesdits deux passages étant en échange thermiques respectivement avec deux portions en série d'un même canal de circulation du circuit de fluide de refroidissement.

Par exemple, et comme illustré, les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent avoir chacun une forme oblongue s'étendant selon une direction longitudinale respective. Chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement comprend une entrée de gaz de travail à refroidir et une sortie de gaz de travail refroidi disposées respectivement au niveau de deux extrémités longitudinales .

Les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent être des échangeurs du type à tubes, à tubes et calandre(s), à plaques et ailettes ou tout autre technologie appropriée. Les échangeurs peuvent être composés d'inox, aluminium ou tout autre matériau (x) appropriés.

Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement sont agencés au sein du dispositif de préférence de façon inversée, c'est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement sont parallèles ou sensiblement parallèles et les sens de circulation du fluide de travail dans lesdits échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement sont opposés. Cette agencement combiné à l'agencement de la circulation du fluide de refroidissement permet de minimiser la complexité des circuits fluidiques tout en conférant de très bonnes performances au dispositif.

Tout ou partie du dispositif, notamment ses organes froids peuvent être logés dans un carter 11 étanche isolé thermiquement (notamment une enceinte sous vide contenant l'échangeur de chaleur commun à contre-courant et l'échangeur 8 de réfrigération).

Comme illustré, le dispositif peut comporter uniquement deux compresseurs et deux échangeurs de chaleurs de refroidissement.

L'invention peut s'appliquer à un procédé de refroidissement et/ou de liquéfaction d'un autre fluide ou mélange, notamment de 1'hydrogène.