Liquéfaction des gaz
Production de froid et revalorisation de la chaleur : machines cryogéniques

3.1 Air liquide

Dans le cas de la liquéfaction de l’air, un des procédés les plus courants utilise le cycle de Stirling. Les figures 2a et 2b représentent le cycle de Stirling théorique en diagramme de Clapeyron et entropique. Ce cycle comporte idéalement deux transformations isothermes au contact avec la source froide (a → b) et le puits chaud (c → d). Les deux transformations isochores (d → a, b → c) sont associées ici à une régénération thermique parfaite durant le transfert du gaz au travers de l’échangeur régénérateur.

Les positions des pistons de la machine, aux points a, b, c, d du cycle, sont représentées sur la figure 2c. Il y apparaît clairement un déphasage du mouvement des deux pistons ; trois configurations cinématiques principales dites α, β et γ permettent de répondre à cette nécessité. La réalisation technique correspondante la plus connue en France est due à Philips. On notera l’existence d’autres alternatives, comme le système dû à Kapitza ou celui dû à Claude.

Un autre principe de liquéfaction consiste à utiliser le refroidissement par détente de Joule-Thomson, ou détente isenthalpique (c’est-à-dire sans échange ni de chaleur, ni de travail avec l’extérieur). Le cycle correspondant est alors appelé cycle de Linde (figure 3a ) et la réalisation technique de base est représentée schématiquement sur la figure 3b. Ce cycle est fondamentalement différent du cycle de Stirling ; la comparaison des représentations en diagramme entropique (figures 2b et 3a ) parle d’elle-même. Le cycle de Linde comporte idéalement une compression isentropique (a_0 → b₀), un échange de chaleur isobare avec un puits externe (b₀ → c₀), un échange de chaleur sur un échangeur récupérateur interne (c₀ → a correspondant à c → a₀), une détente isenthalpique (a → b) suivie du séparateur, délivrant du liquide de caractéristique d et recyclant...