Procédé de réfrigération d'un fluide, par exemple d'hélium, destiné à alimenter un consommateur de fluide, ainsi qu'à une installation correspondante

L'invention se rapporte à un procédé de réfrigération d'un fluide, par exemple d'hélium, destiné à alimenter un consommateur de fluide, ainsi qu'à une installation correspondante.

Dans un procédé classique, le fluide circule de manière cyclique successivement au travers d'un étage de compression, d'un étage de prérefroidissement et/ou de refroidissement du fluide, et d'une interface permettant d'alimenter en fluide le consommateur et de recueillir du fluide issu du consommateur.

Ce type de procédé est particulièrement adapté lorsque le consommateur a besoin d'une charge thermique sensiblement constante, c'est- à-dire lorsque la puissance thermique à fournir par le procédé de réfrigération est quasiment constante dans le temps.

Un tel procédé reste toutefois inadapté en cas de charge thermique variable dans le temps. Un réacteur utilisé dans le domaine de la fusion contrôlée comprend des éléments supraconducteurs refroidis à l'aide d'hélium liquide. Dans le cas de ce type de réacteur, une charge thermique puisée, variant de manière sensiblement sinusoïdale dans le temps, est nécessaire afin de ne pas endommager les éléments supraconducteurs précités. II apparaît donc que, dans cette application notamment, le procédé classique précité ne peut être utilisé sans un surdimensionnement important des différents composants de l'installation permettant de le mettre en œuvre.

Le document FR 1540391 décrit un procédé de maintien à très basse température d'appareils électriques utilisant un fluide soumis à un étage de compression, un étage de détente et de refroidissement afin d'être liquéfié en partie dans un réservoir destiné à maintenir un équilibre de phase du fluide à une température cible.

Le réservoir alimente les appareils électriques en vue de leur refroidissement. Ce système est inadapté aux applications subissant des variations de charge thermiques nécessitée par le consommateur puisque les

débits de fluides subissent des variations importantes (vers l'étage de compression et l'étage de détente et de refroidissement).

L'invention vise à remédier à cet inconvénient en proposant un procédé de réfrigération d'un fluide permettant de s'adapter à des charges thermiques variables dans le temps.

A cet effet, l'invention concerne un procédé de réfrigération d'un fluide du type précité, caractérisé en ce qu'une première partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement est dirigé sélectivement vers l'interface, une deuxième partie du fluide est renvoyée sélectivement vers l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement selon que la charge thermique nécessitée par le consommateur est faible ou élevée, une troisième partie du fluide étant refroidie et dirigée vers un accumulateur conçu pour sélectivement stocker ce fluide ou pour délivrer, selon que la charge thermique nécessitée par le consommateur est faible ou élevée, une quantité de fluide déjà stockée afin de refroidir la première partie de fluide dirigée vers l'interface, la première partie du fluide alimentant directement l'interface sans transiter par l'accumulateur.

De cette manière, il est possible d'ajuster la quantité de fluide froid fourni à l'interface, et par conséquent la charge thermique disponible pour le consommateur.

En outre, l'accumulateur permet de stocker du fluide froid lorsque la charge thermique à fournir est faible, c'est-à-dire de stocker au sein des moyens d'accumulation une charge thermique déterminée et de délivrer, par échange de chaleur, au moins une partie de cette charge stockée au fluide destiné à l'interface.

Un tel procédé permet donc d'utiliser une installation pour sa mise en œuvre qui soit simplement dimensionnée en fonction de la puissance moyenne à délivrer, le procédé permettant de s'adapter aux pics de charge thermique à fournir au consommateur. Selon une caractéristique de l'invention, la quantité de fluide renvoyé vers l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement est ajustée par au moins une vanne de dérivation commandée, par exemple par l'intermédiaire d'un capteur de pression.

La quantité de fluide froid fourni à l'interface est donc ajustée de manière dynamique par la vanne de dérivation en fonction des besoins de l'utilisateur.

Avantageusement, le fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement circule au travers d'une turbine de détente.

Selon une possibilité de l'invention, la première partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement échange de l'énergie calorifique avec le fluide délivré par l'accumulateur.

Préférentiellement, le fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement échange l'énergie calorifique avec le fluide issu de l'interface et/ou avec la deuxième partie de fluide issu de l'étage de prérefroidissement et/ou de refroidissement. Avantageusement, la deuxième et/ou la troisième partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement échange de l'énergie calorifique avec le fluide issu de l'interface.

Selon une possibilité de l'invention, la deuxième partie de fluide issue de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement est détendue par l'intermédiaire d'une vanne de détente.

Préférentiellement, la première partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement échange de l'énergie calorifique avec une première fraction du fluide issu de la vanne de détente.

Selon une caractéristique de l'invention, une deuxième fraction du fluide issu de la vanne de détente est destinée à alimenter l'accumulateur.

Avantageusement, le fluide délivré par l'accumulateur est renvoyé à l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement.

L'invention concerne en outre une installation de réfrigération d'un fluide, par exemple d'hélium, pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention, comportant une interface équipée d'organes d'entrée et de sortie de fluide destinés respectivement à alimenter un consommateur en fluide et à recueillir du fluide issu du consommateur, un étage de compression du fluide issu de l'interface, au moins un étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement du fluide issu de l'interface et/ou du fluide issu de l'étage de compression, caractérisée en ce qu'elle comporte un étage d'amortissement comportant une canalisation d'alimentation reliant l'étage de prérefroidissement et/ou de refroidissement aux organes d'entrée de fluide de l'interface, une canalisation de refoulement reliant les organes de sortie de fluide de l'interface à l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement, et une première canalisation de dérivation reliant la canalisation d'alimentation à la canalisation de refoulement par l'intermédiaire d'au moins une vanne de

dérivation, l'étage d'amortissement comportant en outre une deuxième canalisation de dérivation, reliant la canalisation d'alimentation à la canalisation de refoulement, et équipée d'accumulateur, un premier échangeur thermique étant disposé de manière à échanger de l'énergie calorifique entre le fluide issu de l'accumulateur et le fluide circulant dans la canalisation d'alimentation.

Selon une caractéristique de l'invention, la canalisation d'alimentation est équipée d'une turbine de détente, disposée en amont de la première canalisation de dérivation.

Avantageusement, la canalisation d'alimentation est équipée d'un deuxième échangeur thermique disposé en amont de la turbine de détente, de manière à échanger de l'énergie calorifique entre la canalisation de refoulement et la canalisation d'alimentation.

Selon une possibilité de l'invention, la canalisation d'alimentation est équipée d'un troisième échangeur thermique disposé en aval de la turbine de détente, de manière à échanger de l'énergie calorifique entre la canalisation de refoulement et la canalisation d'alimentation.

Préférentiellement, la première canalisation de dérivation relie la canalisation d'alimentation, en un point situé entre la turbine de détente et le troisième échangeur thermique, à la canalisation de refoulement, en un point situé entre le troisième échangeur thermique et le deuxième échangeur thermique.

Selon une variante de réalisation de l'invention, la première canalisation de dérivation relie la canalisation d'alimentation, en un point situé entre la turbine de détente et le troisième échangeur thermique, à la canalisation de refoulement, en un point situé entre le deuxième échangeur thermique et l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement, la première canalisation de dérivation traversant le deuxième échangeur thermique, la vanne de dérivation étant disposée en aval du deuxième échangeur thermique. Selon une autre variante de réalisation de l'invention, la première canalisation de dérivation relie la canalisation d'alimentation, en un point situé en aval du troisième échangeur thermique, à la canalisation de refoulement, en un point situé entre le deuxième échangeur thermique et l'étage de prérefroidissement et/ou de refroidissement, la première canalisation de dérivation traversant successivement le troisième échangeur thermique et le deuxième échangeur thermique et étant équipée d'une première vanne de dérivation

située en amont du troisième échangeur thermique et d'une seconde vanne de dérivation située en aval du deuxième échangeur thermique.

Selon une possibilité de l'invention, la seconde canalisation de dérivation est équipée d'une vanne de détente disposée entre le troisième échangeur et l'accumulateur.

Préférentiellement, l'étage d'amortissement comporte une troisième canalisation de dérivation conçue pour dévier une partie du fluide issu de la vanne de détente, la troisième canalisation traversant le premier échangeur thermique et étant reliée à la canalisation de refoulement. Selon une caractéristique de l'invention, l'accumulateur à l'intérieur duquel est disposé le premier échangeur thermique de manière à échanger de l'énergie calorifique entre le fluide traversant le premier échangeur et le fluide contenu dans l'accumulateur.

Avantageusement, l'interface comporte une enceinte équipée des moyens d'entrée et de sortie de fluide, la canalisation d'alimentation étant équipée d'une vanne commandée disposée en amont des organes d'entrée de fluide, la vanne étant commandée, par exemple par l'intermédiaire d'un capteur de niveau de fluide à l'intérieur de l'enceinte.

De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple, trois formes de réalisation de ce procédé et cette installation de réfrigération d'un fluide.

Les première, seconde et troisième partie de fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement sont obtenues par des dérivations sélectives d'au moins une partie de l'ensemble de fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement.

La seconde partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement est obtenue par une dérivation (bypass) sélective d'une partie de fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement destiné à alimenter sélectivement l'interface (première partie du fluide) et/ou l'accumulateur (troisième partie du fluide) (c'est-à-dire que la seconde partie de fluide est retranchée à l'ensemble du fluide issu de l'étage de compression).

La troisième partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement est obtenue par une dérivation (bypass) sélective d'une partie du fluide issu de l'étage de pré-refroidissement et/ou de

refroidissement destiné à alimenter sélectivement directement l'interface (1 ) (c'est-à-dire que la troisième partie du fluide est retranchée à la première de fluide).

L'accumulateur comprend par exemple un réservoir cryogénique isolé sous vide, par exemple logé dans l'étage de pré-refroidissement et/ou de refroidissement.

Figure 1 est une vue schématique d'ensemble de l'installation ;

Figure 2 est une vue schématique de l'étage d'amortissement de l'installation ; Figures 3 et 4 sont des vues correspondant à la figure 1 , de deux variantes de réalisation.

Une installation de réfrigération d'hélium selon l'invention est décrite en figure 1 .

Comme cela est représentée plus particulièrement en figure 2, cette installation comporte une interface 1 se présentant sous la forme d'une boite froide ou d'une enceinte équipée d'une entrée et d'une sortie de fluide 2,

3 destinées respectivement à alimenter un consommateur en fluide et à recueillir du fluide issu du consommateur.

La boîte froide 1 permet d'échanger une charge thermique avec un fluide destiné à un consommateur constitué par exemple par un circuit de refroidissement d'éléments supraconducteurs d'un réacteur à fusion contrôlée.

L'installation comporte un étage de compression 4 du fluide issu de l'interface 1 , un étage de pré-refroidissement 5 et un étage de refroidissement 6 du fluide. Ces étages sont connus de l'art antérieur et seront, par conséquent, décrit sommairement ci-après.

L'étage de compression 4 permet de comprimer l'hélium provenant de l'étage inférieur, à savoir de l'étage de pré-refroidissement 5 et d'amener l'hélium à une température ambiante. L'hélium à haute pression, c'est-à-dire à une pression comprise entre 15 et 20 bars est amené à l'étage de pré-refroidissement 5 où il est refroidi, dans des échangeurs à plaques aluminium brasé 7, 8, par l'hélium froid en provenance de l'étage inférieur, c'est-à-dire de l'étage de refroidissement 6. Le pré-refroidissement est complété par un échange de chaleur avec de l'azote liquide.

Le refroidissement de l'hélium se poursuit dans l'étage de refroidissement 6, par l'intermédiaire d'une pluralité d'échangeurs du type précité et par des turbines cryogéniques de détente 9 disposées en parallèles. Pour chaque turbine de détente 9, une partie du débit d'hélium haute pression est prélevée et détendue à la moyenne pression du cycle. Selon une possibilité de l'invention, le nombre de turbines de détente 9 varie entre 2 ou 4 pour un réfrigérateur de forte puissance. L'étage de pré-refroidissement amène l'hélium à l'étage inférieur, c'est-à-dire à un étage d'amortissement 10, à une température d'environ 20 Kelvins. L'étage d'amortissement 10 va maintenant être décrit plus en détail, en référence aux figures 2 à 4.

Cet étage 10 comporte une canalisation d'alimentation 11 dans laquelle le fluide froid circule depuis l'étage de refroidissement 6 jusqu'à l'interface 1 , ainsi qu'une canalisation de refoulement 12 permettant d'amener le fluide chaud issu de l'interface 1 jusqu'à l'étage de refroidissement 6.

L'hélium circulant dans la canalisation d'alimentation 1 1 traverse successivement, dans le sens de l'écoulement, un deuxième échangeur thermique 13, une vanne de contrôle 14, une turbine de détente 15, un troisième échangeur thermique 16, un premier échangeur thermique 17 et une vanne 18 commandée, par exemple par l'intermédiaire d'un capteur 19 du niveau d'hélium au sein de l'enceinte 1 .

L'hélium circulant dans la canalisation de refoulement 12 traverse successivement, dans le sens de l'écoulement, le troisième échangeur thermique 16 et le deuxième échangeur thermique 13, puis est renvoyé vers l'étage de refroidissement 6.

L'étage d'amortissement 10 comporte de plus une première canalisation de dérivation 21 permettant de diriger le fluide issu de la turbine de détente 15 vers la canalisation de refoulement 12, entre le deuxième et le troisième échangeurs thermiques 13, 16. La première canalisation de dérivation 21 est équipée d'une vanne de dérivation 22 commandée, par exemple par l'intermédiaire d'un capteur de pression 23. La mesure de pression est réalisée par ce capteur 23 en un point situé dans la canalisation d'alimentation 1 1 , en aval de la turbine de détente 15 et en amont du troisième échangeur thermique 16. Une seconde canalisation de dérivation 24 permet de dévier une partie du fluide issu du troisième échangeur thermique 16. L'hélium circulant dans la

seconde canalisation traverse une vanne de détente 25, une partie du flux d'hélium issu de cette vanne 25 étant alors dirigée dans un accumulateur 26, une autre partie traversant le premier échangeur thermique 17 et étant ensuite ramenée dans la canalisation de refoulement 12, en un point situé entre la vanne 20 et le troisième échangeur thermique 16.

Le fluide stocké dans l'accumulateur 26 est également dirigé vers le premier échangeur thermique 17 puis dirigé vers la canalisation de refoulement 12, en un point situé entre la vanne 20 et le troisième échangeur thermique 16. L'accumulateur 26 est susceptible de contenir de l'hélium à la fois sous forme liquide mais également sous forme gazeuse. Une canalisation d'échappement 27 permet d'évacuer les gaz vers la canalisation de refoulement 12, en un point de celle-ci située en amont du troisième échangeur thermique 16.

Les échangeurs thermiques 13, 16, 17 permettent de refroidir ou de chauffer les fluides les traversant, les fluides chauds et les fluides froids étant agencés de manière à circuler à contre-courant les uns par rapport aux autre dans chacun des échangeurs. C'est ainsi que l'hélium circulant dans la canalisation d'alimentation 11 est refroidi successivement lorsqu'il traverse le deuxième, le troisième et le premier échangeurs 13,16,17. De la même manière, la température de l'hélium circulant dans la canalisation de refoulement 12 augmente lorsqu'il traverse le deuxième et le troisième échangeurs 13,16, et celle de l'hélium issu de la seconde canalisation de dérivation 24 ou de l'accumulateur 26 augmente lorsqu'il traverse le premier échangeur 17. Le fonctionnement de l'étage d'amortissement 10 est le suivant.

Lorsque la charge thermique absorbée par le consommateur est faible, la vanne de dérivation commandée 22 est majoritairement ouverte de sorte qu'une grande partie du fluide issu de la turbine de détente 15 est renvoyée vers l'étage de refroidissement 6. Une faible partie du flux d'hélium froid est amenée vers l'interface 1 par la canalisation d'alimentation 11. Une certaine quantité d'hélium provenant de la partie du flux précitée est stockée dans l'accumulateur 26, le reste étant dirigé vers la canalisation de refoulement 12.

Lorsque la charge thermique absorbée par le consommateur est importante, la vanne de dérivation 22 est majoritairement fermée de sorte que la majorité du fluide est dirigée en direction de l'interface 1. Ceci a pour effet

d'augmenter la charge thermique disponible pour le consommateur au niveau de l'interface 1 . En outre, le fluide froid stocké par l'accumulateur 26 est délivré et traverse le premier échangeur thermique 17, de manière à refroidir le fluide de la canalisation d'alimentation1 1 dirigé vers l'interface 1 , augmentant d'autant la charge thermique fournie au consommateur.

Une variante de réalisation de l'invention est représentée en figure 3, seules les positions de la première canalisation de dérivation 21 et de la vanne de dérivation 22 ayant été modifiées. Dans cette variante, la première canalisation de dérivation 21 relie la canalisation d'alimentation 1 1 , en un point situé entre la turbine de détente 15 et le troisième échangeur thermique 16, à la canalisation de refoulement 12, en un point situé entre le deuxième échangeur thermique 13 et l'étage de refroidissement 6, la première canalisation de dérivation 21 traversant le deuxième échangeur thermique 13, la vanne de dérivation 22 étant disposée en aval du deuxième échangeur thermique 13.

Cette forme de réalisation permet d'éviter une réduction de l'efficacité du deuxième échangeur thermique 13. En effet, l'efficacité d'un échangeur thermique risque d'être réduite lors du passage d'un fluide présentant une phase liquide et une phase gazeuse. Or, la vanne de dérivation 22 engendrant une détente et, par conséquent, un refroidissement du fluide qui la traverse, le fluide disposé en arrière de la vanne de dérivation 22 peut être sous forme diphasique, en fonction des conditions de fonctionnement. La vanne 22 ainsi disposée en aval de l'échangeur thermique 13 permet de ne pas modifier l'état du fluide avant de traverser cet échangeur. Une autre variante de réalisation est représentée en figure 4.

Dans ce cas, la première canalisation de dérivation 21 relie la canalisation d'alimentation 1 1 , en un point situé en aval du troisième échangeur thermique 16, à la canalisation de refoulement 12, en un point situé entre le deuxième échangeur thermique 13 et l'étage de refroidissement 6, la première canalisation de dérivation 21 traversant successivement le troisième échangeur thermique 16 et le deuxième échangeur thermique 13 et étant équipée d'une première vanne de dérivation 28 située en amont du troisième échangeur 16 et d'une seconde vanne de dérivation 29 située en aval du deuxième échangeur thermique 13. Le deuxième et le troisième échangeurs 13, 16 sont généralement regroupés en un seul et même bloc d'échange de chaleur. Une telle disposition

des vannes de dérivation permet de pourvoir raccorder ces vannes 28, 29 à l'extérieur du bloc d'échange de chaleur, ce qui est d'installation plus commode, tout en assurant que le fluide traversant chacun des échangeurs 13, 16 n'est pas diphasique. Comme il va de soi l'invention ne se limite pas aux seules formes de ce procédé de réfrigération de fluide ou de cette installation, décrites ci- dessus à titre d'exemples, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes. C'est ainsi notamment que la vanne de dérivation pourrait être commandée par un capteur de température ou par tout moyens permettant de mesurer un paramètre représentatif des besoins du consommateur.