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RÉSUMÉ
Cet article traite des configurations spécifiques de systèmes et des principes physiques particuliers utilisés en cryogénie pour obtenir de très basses températures, inférieures à -100°C. La liquéfaction de gaz, comme l'air et l'hélium, reste le procédé le plus courant mais on peut également avoir recours aux propriétés thermomagnétiques de certains matériaux. Les perspectives pour la production générale de froid, pas seulement en cryogénie, sont également évoquées dans cet article.
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Michel FEIDT : Professeur émérite - Université de Lorraine, France
INTRODUCTION
Cette étude s’intéresse tout particulièrement à la production et à l’utilisation des très basses températures typiquement inférieures à 100 °C ; le domaine considéré est classiquement appelé cryogénie.
Pour les obtenir, il faut soit recourir à des techniques différentes de celles imposées dans les deux articles précédents Production de froid et revalorisation de la chaleur : principes généraux [BE 8 095]et Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines particulières [BE 8 096], soit faire appel à de nouveaux principes physiques. Les deux approches sont examinées dans le présent article.
On remarque ici que la revalorisation de la chaleur à haute température, qui est le pendant de la cryogénie, reste un domaine peu exploré qui mériterait sans doute plus de considération ; ce sujet n'est qu’évoqué ici, pour préserver la symétrie formelle et fera l'objet d'un autre article à venir.
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- Version archivée 1 de oct. 1998 par Michel FEIDT
- Version archivée 2 de oct. 2005 par Michel FEIDT
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2. Cycles en cascade
L’utilisation d’un fluide frigorigène pur à changement de phase, telle que celle décrite dans l'article [BE 8 095](§ 1.2.3 et [4]), reste limitée à l’intervalle de température compris entre la température du point critique du fluide, pour laquelle la chaleur latente de transformation s’annule, et la température de son point triple au-dessous de laquelle tout cyclage mécanique simple disparaît. Par ailleurs, ce même écart de température ferait apparaître de trop fortes contraintes techniques, liées principalement au volume du fluide en basse pression et à l’écart entre pression haute et basse, d’où corrélativement des taux de compression anormalement élevés et des irréversibilités amplifiées.
On utilise alors naturellement une cascade de fluides judicieusement choisie, pour pouvoir, sous des pressions raisonnables, assurer des niveaux de température de plus en plus bas. La figure 1 présente le schéma de principe d’une telle installation dans le cas d’une cascade à deux étages. L’extension à un nombre supérieur d’étages se fait par itération.
L’ordre de grandeur de la température d’ébullition à la pression atmosphérique (point normal d’ébullition) est indiqué entre parenthèses :
ammoniac NH3(240 K), éthylène C2H4(169 K), méthane CH4(111 K), azote N2(77 K), hydrogène H2(20,3 K), hélium He(4,2 K)
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HÉBRAL (B.) - Cryogénie. - Archives [B 2 380A], Techniques de l’Ingénieur (1993).
-
(2) - LOUNASMAA (O.V.) - Cryogenics. - Volume : 22 Issue : 5 Pages : 213-223 (1982).
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(3) - * - Science et Vie. - P. 12 (nov. 2003).
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(4) - LALLEMAND (A.) - Machines à froid et pompes à chaleur. - Ellipses, Paris (2015).
-
(5) - LI (R.), GROSU (L.) - Parameter affect analysis for a Stirling cryocooler. - International journal of refrigeration 80 92-105 (2017).
-
(6) - AHERN (J.E.) - Applications of second law thermodynamics to cryogenics. - A review. Energy Int. J., 5, 891-897 (1980).
-
...
ANNEXES
Conférence internationale de l'IIF sur la technologie de la cryogénie et du froid commissions A1, A2, C1 Romania, Bucarest june 22-25 2016 ISSN : 0151-1637
Congrès français de thermique société française des thermiciens (Marseille 30 mai - 2 juin 2017)
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs de matériels cryogéniques (liste non exhaustive)
Stirling Cryogénics BV, science park Eindhoven Pays-Bas
http://www.stirlingcryogenics.com
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