Liquéfaction de l'hélium et réfrigération à l'hélium de moyennes et fortes puissances

1 - Rappels de thermodynamique

• 1.1 - Fonctionnement isotherme
  Figure 1 - Rapport de la puissance mécanique à dépenser à la température ambiante. … à la puissance froide …
• 1.2 - Fonctionnement non isotherme
• 1.3 - Équivalence entre les régimes de liquéfaction et de réfrigération
  Figure 2 - Régime de réfrigération pure

2 - Régimes de réfrigération et de liquéfaction

• 2.1 - Régime de réfrigération pure
• 2.2 - Régime de liquéfaction pure
  Figure 3 - Régime de liquéfaction pure
• 2.3 - Régime mixte
  Figure 4 - Refroidissement des amenées de courant d'une bobine supraconductrice Figure 5 - Régime mixte

3 - Cycles thermodynamiques de base

• 3.1 - Cycle de Joule Thomson
  Figure 6 - Diagramme température/entropie (TS) de l'hélium de 300 à 20 K Figure 7 - Cycle de Joule Thomson et son diagramme TS Figure 8 - Circulation de l'énergie dans le cycle de Joule Thomson Figure 9 - Calcul du cycle de Joule Thomson Figure 10 - Première goutte de liquide
• 3.2 - Cycle de Brayton
  Figure 11 - Variation du débit d'un cycle dimensionné pour 50 W + 0,5 g/s, en fonction des paramètres de conception Figure 12 - Détente quasi isentropique ou avec travail extérieur Figure 13 - Outil simple pour calculer la performance d'une turbine Figure 14 - Cycle de Brayton Figure 15 - Circulation de l'énergie dans le cycle de Brayton Figure 16 - Calcul du cycle de Brayton
• 3.3 - Cycle de Claude
  Figure 17 - Cycle de Claude à deux turbines en parallèle et son diagramme TS Figure 18 - Calcul du cycle de Claude à deux turbines en parallèle Figure 19 - Calcul du cycle de Claude à deux turbines en parallèle : températures optimisées Figure 20 - Couple optimal des températures d'échappement des turbines Figure 21 - Cycle de Claude à deux turbines en série
• 3.4 - Prérefroidissement à l'azote liquide
• 3.5 - Refroidissement des écrans thermiques
  Figure 22 - Deux manières de refroidir des écrans thermiques

4 - Cycles particuliers

• 4.1 - Cycles permettant d'obtenir de fortes puissances
  Figure 23 - Intérêt de la détente finale avec travail extérieur Figure 24 - Cycle de Claude à trois pressions
• 4.2 - Cycles permettant d'obtenir des températures inférieures à 4,5 K
  Figure 25 - Pressions et taux de compression en fonction de la température Figure 26 - Méthodes de pompage
• 4.3 - Évolution du rendement en fonction de la puissance cryogénique
  Figure 27 - Intérêt de l'échangeur de Joule Thomson Figure 28 - Cycle à 2,00 K, équipé d'une compression cryogénique intégrale, fonctionnant à CEBAF (USA) Figure 29 - Diagramme de Strobridge

5 - Composants d'un réfrigérateur ou d'un liquéfacteur

• 5.1 - Compresseur de cyle
  Figure 30 - Compresseur à vis Figure 31 - Cartouche de coalesceur et son montage Figure 32 - Ensemble du système de déshuilage
• 5.2 - Échangeur de chaleur
  Figure 33 - Éléments de base d'un échangeur à plaques ailetées Figure 34 - Blocs d'échangeurs d'un gros liquéfacteur (doc. Air Liquide)
• 5.3 - Machine de détente cryogénique
  Figure 35 - Structure d'une pivoterie statique (doc. Air Liquide) Figure 36 - Arbre, paliers et roues (turbine …… Figure 37 - Distributeur et roue Figure 38 - Ensemble turbine de détente cryogénique (doc. Air Liquide)
• 5.4 - Compresseur cryogénique
  Figure 39 - Structure d'un compresseur centrifuge cryogénique traitant 120 g/s à 4,0 K, 0,015 bar, roue …

6 - Fonctionnements en régimes autres que le régime nominal

• 6.1 - Cas du cycle de Brayton
  Figure 40 - Calcul d'un cycle de Brayton fonctionnant à une puissance différente de sa puissance nominale
• 6.2 - Cas du cycle de Claude

7 - Contrôle de procédé

• 7.1 - Contrôle des pressions du cycle
  Figure 43 - Contrôle des pressions du cycle
• 7.2 - Quelques contrôles autour des turbines
  Figure 44 - Contrôle de la température optimale de fonctionnement de la turbine froide
• 7.3 - Contrôle efficace de la puissance cryogénique
  Figure 45 - Puissance absorbée en fonction de la puissance cryogénique (réfrigérateurs LEP, doc. CERN)

8 - Structure d'un réfrigérateur ou d'un liquéfacteur

• 8.1 - Station de compression
• 8.2 - Boîte froide
  Figure 46 - Station de compression d'un réfrigérateur du CERN (doc. Air Liquide) Figure 47 - Boîte froide (doc. Air Liquide)
• 8.3 - Épurateur de l'hélium à liquéfier
  Figure 48 - Schéma de principe d'un dessiccateur Figure 49 - Schéma de principe d'un épurateur à adsorption Figure 50 - Schéma d'un épurate‘ur à cryopiégeage

9 - Quelques exemples de liquéfacteurs et réfrigérateurs

• 9.1 - Réfrigérateur à 20 K
  Figure 51 - Boîte froide du réfrigérateur d'ORPHÉE, 1 900 W à 20 K (doc. Air Liquide)
• 9.2 - Liquéfacteur/réfrigérateur de taille moyenne : l'HELIAL
  Figure 52 - Boîte froide et composants froids d'un HELIAL (doc. Air Liquide-DR) Figure 53 - Un très gros liquéfacteur (doc. Air Liquide)
• 9.3 - Un très gros liquéfacteur industriel
  Figure 54 - Insertion des blocs d'échangeurs dans l'enceinte à vide (… Figure 55 - Schéma d'un réfrigérateur de 18 000 W à 4,5 K fonctionnant au CERN (doc. Air Liquide)
• 9.4 - Un gros réfrigérateur à 4,5 K
  Figure 56 - Schéma d'un réfrigérateur de 2 400 W à 1,80 K fonctionnant au CERN (doc. Air Liquide)
• 9.5 - Un gros réfrigérateur à 1,8 K

10 - Évolutions

• 10.1 - Rendement
• 10.2 - Puissances thermiques
  Figure 57 - Évolution de la puissance des liquéfacteurs/réfrigérateurs