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, le dispositif de réfrigération étant disposé dans un cadre et 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, les mécanismes de refroidissement et de réchauffage du fluide de travail comprenant un échangeur de chaleur commun dans lequel le fluide de travail transite à contre-courant dans deux portions de transit distinctes du circuit de travail selon qu'il est refroidi ou réchauffé, 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, le cadre s'étendant selon une direction longitudinale et comprenant une base inférieure destinée à être fixée sur un support,

Par dispositif de réfrigération à basse température on désigne un dispositif de réfrigération qui atteint une température comprise entre moins 100 degrés centigrade et moins 273 degrés centigrade, notamment entre moins 100 degrés centigrade et moins 253 degrés centigrade (20K).

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 un 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 .

De plus, lorsque ces dispositifs sont montés sur des bateaux (méthanier par exemple) le dispositif est soumis aux efforts générés par le roulis et le tangage. Certains déséquilibres peuvent induire des contraintes mécaniques néfastes.

Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus selon la revendication 1 de préférence.

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 les échangeurs de chaleur de refroidissement sont situés dans le cadre autour de l'échangeur de chaleur commun, c'est-à-dire que préférentiellement les échangeurs de chaleur de refroidissement ne sont pas situés en dessous de l'échangeur de chaleur commun entre l'échangeur de chaleur commun et la base inférieure du cadre.

Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : les échangeurs de chaleur de refroidissement sont situés dans le cadre à côté de l'échangeur de chaleur commun selon une direction transversale à l'axe longitudinal, les échangeurs de chaleur de refroidissement sont situés de façon adjacente c'est-à-dire espacés l'un de l'autre d'une distance comprise entre 0 et 500mm notamment entre 100 et 300mm, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement sont disposé l'un au-dessus de l'autre selon une direction perpendiculaire à la base, les échangeurs de chaleur de refroidissement ont chacun une forme oblongue s'étendant selon des directions longitudinales respectives, chaque échangeur 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, chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprenant une entrée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement étant agencés de façon inversée, c'est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeurs 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, chaque échangeur 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, chaque échangeur de chaleur de refroidissement comprenant une entrée de fluide de refroidissement et une sortie de fluide de refroidissement, les deux échangeurs de chaleur de refroidissement étant agencés de façon inversée, c'est-à-dire que les directions longitudinales respectives des deux échangeurs 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, la sortie de fluide de refroidissement de l'un des échangeurs 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, les deux compresseurs sont disposés en série dans le circuit de travail, le dispositif comprend au moins deux moteurs d'entraînement en rotation des compresseurs et comprenant chacun 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. 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.

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

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 de dessus illustrant la structure et le fonctionnement d'un exemple de dispositif et d'installation pouvant mettre en œuvre 1'invention,

[Fig. 2] représente une vue schématique et partielle de côté selon la flèche V de la figure 1 illustrant des détails de la structure et du fonctionnement du dispositif,

[Fig. 3] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail de la structure et du fonctionnement du dispositif et de l'installation selon une variante possible de réalisation de l'agence de deux échangeurs de chaleur de refroidissement.

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

Le dispositif est logé dans un cadre 100, par exemple parallélépipédique. Le cadre 100 comprend une base 101 inférieure .

Contrairement à la représentation de la figure 2, l'extrémité supérieure du cadre ne comporte pas forcément de structure au- dessus du dispositif mais pourrait comporter uniquement des montants périphériques dont les extrémités verticales sont situées verticalement au-dessus de la base 101 au niveau ou sous le point le plus haut du dispositif. C'est-à-dire que le cadre 100 pourrait former une protection latérale tout autour du dispositif tout en étant dépourvu la partie supérieure à l'aplomb du dispositif.

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 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 125 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 comprennent 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 6 de chaleur commun peut être fixé au cadre au niveau d'au moins un point fixe 106, par exemple au niveau d'un montant longitudinal central du cadre 100.

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 intégré dans 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 cependant une même structure d'échange). Cependant, en variante, cet échangeur 8 de chaleur de chaleur de réfrigération pourrait être constitué d'un échangeur de chaleur distinct et séparé de l'échangeur 6 de chaleur commun.

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 des deux moteurs 14 ou 15. Par exemple un premier moteur 14 entraîne par un arbre un compresseur 2 et cet arbre est accouplé à une turbine 7 à son autre extrémité (moto-turbocompresseur) tandis que l'autre moteur 15 entraîne uniquement un compresseur 3 (moto-compresseur).

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 14 ou 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) .

Comme illustré, chaque moteur 14, 15 peut être relié ou fixé rigidement à au cadre 100 via au moins un point fixe 104, 105, par exemple au niveau d'un montant longitudinal et/ou vertical du cadre 100.

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 distinct et une turbine 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 peut comprendre deux compresseurs et deux turbines ou trois compresseurs et trois turbines...L'arbre d'entraînement de chaque moteur entraîne à une extrémité au moins un compresseur tandis que l'autre extrémité de l'arbre est dépourvue de roue (compresseur ou turbine) ou comprend une ou plusieurs roues (turbine ou compresseur).

Comme illustré, un échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement est prévu à la sortie de chacun des deux compresseurs 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 cf. [Fig. 3]).

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.

Le cadre 100 s'étendant selon une direction A longitudinale et comprenant une base 101 inférieure destinée à être fixée sur un support (par exemple le sol ou un plancher de bateau ou le sommet d'un réservoir 16 de liquide à refroidir par exemple). Cette base peut être formée de montants rigides délimitant un rectangle muni de montants longitudinaux et transversaux. Comme illustré [Fig. 2] au moins une partie des éléments du dispositif peuvent être fixés sur cette base 101, notamment un caisson abritant l'échangeur 6 de chaleur commun et l'échangeur 8 de réfrigération.

Comme visible à titre d'exemple à la [Fig. 2], les échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement ne sont pas situés en dessous de l'échangeur 6 de chaleur commun entre l'échangeur 6 de chaleur commun et la base 101 inférieure du cadre (100) mais ces échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement sont situés dans le cadre 100 autour de l'échangeur 6 de chaleur commun. Les inventeurs ont constaté que cet agencement assure une répartition des masses améliorant la tenue du dispositif aux efforts notamment lorsque le dispositif est monté sur un engin mobile et notamment un bateau. En effet, cette agencement permet une meilleure répartition des masses au plus près de la base 101.

De plus, la conduite ou portion 17 du circuit de travail reliant une sortie de l'échangeur 6 de chaleur commun à l'entrée de la turbine 7 est raccordée à ce dernier en partie supérieure du dispositif 1. Le carter ou boîte froide (par exemple isolée sous vide) abritant échangeur 6 de chaleur commun et l'échangeur 8 de réfrigération peut être fixé au plus près sur la base 101.

Ceci améliore encore la répartition des masses du dispositif et des efforts d'accélération.

Comme illustré, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent chacun avoir une forme oblongue s'étendant selon des directions longitudinales respectives qui sont parallèles à l'axe longitudinal A. Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent avantageusement être disposés l'un au-dessus de l'autre selon une direction perpendiculaire. Les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement peuvent en particulier être accolés et fixés l'un à l'autre. Ceci optimise l'encombrement du dispositif. Chaque échangeur 4, 5 de chaleur de refroidissement peut comprendre 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 peut être 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 (cf. [Fig. 3]).

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).

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).

Cet 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 circulations à contre-courant entre le fluide de travail et le fluide de refroidissement, ceci en réduisant le nombre et/ou la longueur des conduites transportant ces fluides. Comme représenté à la [Fig. 3], par exemple le circuit 26 de réfrigérant alimente en fluide de refroidissement d'abord le second échangeur 5 de chaleur de refroidissement puis ensuite le premier 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, l'agencement contraire peut être envisagée (circulation du fluide de refroidissement d'abord dans le premier 4 échangeur de chaleur puis ensuite dans le second 5 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 à la [Fig. 3], la liaison fluidique entre les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement pour faire transiter le fluide de refroidissement peut être simplifiée et réduite. Ce transfert 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.

Le cas échéant, les deux échangeurs 4, 5 de chaleur de refroidissement pourraient même être intégrés dans un même carter 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, 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 tube, tube et calandre ou à plaque et ailettes (en inox, alu ou autre).

De plus, 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) .

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