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RÉSUMÉ
Cet article présente deux activités voisines : la liquéfaction de l'hélium et la réfrigération à l'hélium (aussi appelées liquéfaction/réfrigération). Il a pour but de permettre de comprendre le fonctionnement des machines, tout en présentant les méthodes de conception et de construction. Il aborde la description des cycles de base de liquéfaction/réfrigération, puis les calculs simples des paramètres principaux de ces cycles, sur des exemples. Les cycles particuliers pour l'obtention des très fortes puissances ou des températures inférieures à -268,65 °C sont ensuite décrits et commentés. Quelques rappels technologiques succincts sont faits sur les composants principaux, en insistant sur les aspects spécifiques de l'emploi de ces composants pour la réfrigération/liquéfaction. Finalement, le contrôle de procédé est décrit en s'attachant à l'aspect maintien de l'efficacité selon les régimes de fonctionnement.
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Guy GISTAU BAGUER : Ingénieur École Nationale Supérieure des Arts et Métiers ENSAM - Ancien responsable de l'activité liquéfaction/réfrigération hélium à la société Air Liquide - Consultant en cryogénie
INTRODUCTION
Ce dossier fait partie d'une série d'articles sur la cryogénie.
Toute activité cryogénique commence par l'obtention de basses températures.
Les températures supérieures à 80 K (– 193 oC), température approximative d'ébullition de l'azote liquide sont obtenues industriellement à l'occasion de la liquéfaction de gaz naturel (méthane) [J 3 601] et de la séparation des gaz de l'air [J 3 600].
L'hydrogène liquide, dont la température d'ébullition est aux environs de 20 K (– 253 oC), est, pour de bien moindres quantités, liquéfié aussi industriellement [J 3 603].
En revanche, l'hélium, dont la température d'ébullition est environ 4 K (– 269 oC), est un gaz plus rare, plus cher, réservé à des utilisations telles que la supraconductivité nécessitant de très basses températures. La liquéfaction/ réfrigération hélium est, actuellement, une activité industrielle mais sa diffusion est encore relativement restreinte car elle est liée au développement de la supraconductivité. Les deux grands domaines concernés sont :
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le refroidissement et le maintien en froid à l'hélium des énormes structures cryogéniques des grands accélérateurs et anneaux de stockages de particules pour la recherche en physique ;
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la liquéfaction de l'hélium sur les zones de production (l'hélium est extrait du gaz naturel [J 3 605] en vue d'effectuer son transport et sa distribution commerciale sous la forme liquide afin d'en réduire le coût).
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Quelques exemples de liquéfacteurs et réfrigérateursArticle inclus dans l'offre
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8. Structure d'un réfrigérateur ou d'un liquéfacteur
8.1 Station de compression
La station de compression (figure 46) se compose :
-
d'un ou plusieurs compresseurs de cycle, chacun généralement entraîné en direct par son moteur ;
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du système de déshuilage de l'hélium, de refroidissement de l'huile et de l'hélium ;
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du système de contrôle des pressions de cycle qui comprend la capacité tampon de cycle.
Les compresseurs et les vannes de contrôle sont des objets très bruyants, aussi, sont-ils, soit enfermés dans des enceintes insonorisantes, soit abrités dans un local spécial. La capacité tampon de cycle est encombrante ; elle est installée à l'extérieur.
La station de compression est reliée à la boîte froide par les canalisations de haute pression, basse pression et, éventuellement moyenne pression si il s'agit d'un cycle à trois pressions.
HAUT DE PAGE8.2 Boîte froide
La boîte froide abrite dans son enceinte à vide tous les composants qui fonctionnent à basse température : les échangeurs, les machines de détente, les vannes, les adsorbeurs, les filtres, les canalisations de liaison et, dans certains modèles, l'épurateur interne (§ 8.3.2). L'isolation thermique est réalisée par la combinaison d'un vide d'isolation à très basse pression, assuré par un pompage permanent, et d'une isolation multicouches dite aussi « super isolation ».
L'enceinte à vide est cylindrique. Elle peut être à axe vertical (figure 51) ou horizontal (figure 47). La disposition horizontale permet quelquefois une meilleure intégration dans les bâtiments ; elle se généralise pour les très grosses machines mais il faut être attentif à la possibilité de fonctionnement défectueux...
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
CRYODATA http://www.cryodata.com/
Cryodata développe des logiciels permettant le calcul de propriétés thermodynamiques de fluides et de solides, avec un accent mis sur les températures cryogéniques.
GASPAK calcule 28 propriétés thermophysiques de 36 fluides dont les points d'ébullition sont compris entre 4 K et la température ambiante.
HEPAK calcule 33 propriétés thermophysiques de l'hélium 4, y compris les paramètres superfluides de 0,8 à 5 000 K.
ASPEN TECHNOLOGIES https://www.aspentech.com/en
Le logiciel HYSIS, utilisé par les spécialistes, permet de « construire » intuitivement des systèmes constitués des composants classiques : compresseurs, échangeurs, machines de détente, vannes, etc., afin de procéder aux calculs de cycles correspondants. Il permet aussi de simuler des fonctionnements de cycles en régimes transitoires.
HAUT DE PAGE
International Cryogenic Engineering Conference (ICEC) http://mgt-icec.web.cern.ch/mgt-icec/
Conférence...
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