Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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This article presents two related activities: helium liquefaction and helium refrigeration (also called liquefaction/refrigeration). It aims to provide an understanding of the operation of the machinery, and presents certain design and construction methodologies. It uses examples to outline basic liquefaction/refrigeration cycles, and simple calculations relating to the key parameters of these cycles. Specific cycles, used to obtain high levels of power or temperatures below -268.65°C are then described and discussed. Several concise technological reminders on key components are given, focusing on the specific aspects of the use of these components for refrigeration/liquefaction purposes. Finally, the control process is described and linked to the continued effectiveness aspect according to the operating conditions.
Auteur(s)
-
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 :
-
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 ;
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
hélium | cryogenic | refrigeration | liquéfaction
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Cycles thermodynamiques de base
En anglais
2. Régimes de réfrigération et de liquéfaction
Ces deux régimes concernent des machines de structures identiques. De ce fait, ils sont assez souvent confondus. Aussi, il convient de les définir et les différencier avant de poursuivre.
2.1 Régime de réfrigération pure
Ce régime correspond à la recondensation de vapeur saturée, c'est-à-dire à la transformation de vapeur saturée à la température d'équilibre en liquide bouillant à la même pression (figure 2). Il faut seulement extraire la quantité d'énergie pour condenser la vapeur saturée (extraire la chaleur latente), soit 21 J/g. Entre 4,4 et 300 K, il n'y a, thermodynamiquement parlant, « rien à faire » !
Le fonctionnement en réfrigérateur pur s'exprime par une puissance absorbée à une température donnée.
300 W à 4,5 K.
2.2 Régime de liquéfaction pure
Ce régime correspond à la transformation d'hélium gazeux à la température ambiante en liquide bouillant, à une pression voisine de la pression atmosphérique (figure 3). Il faut d'abord extraire une grande quantité d'énergie pour refroidir l'hélium jusqu'à la température de saturation (extraire la chaleur sensible), puis, condenser la vapeur saturée en liquide (extraire la chaleur latente).
Pour refroidir l'hélium depuis la température ambiante (300 K) jusqu'à la température de saturation (4,4 K), il faut extraire 1 542 J/g, ce qui est une grande quantité d'énergie. Il faut ensuite extraire 21 J/g afin de condenser la vapeur saturée.
Le fonctionnement en liquéfacteur pur s'exprime par une quantité d'hélium liquéfiée par unité de temps dont l'expression habituelle est le litre par heure (L/h) ou le gramme par seconde (g/s) pour les calculs de procédé.
Dans le régime de réfrigération isotherme, l'énergie est retirée...
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Régimes de réfrigération et de liquéfaction
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/...
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