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1 CHAPITRE IV : PROCÉDÉS CRYOGÉNIQUES 2 I – EXEMPLES INTRODUCTIFS ET CONTEXTE L

1 CHAPITRE IV : PROCÉDÉS CRYOGÉNIQUES 2 I – EXEMPLES INTRODUCTIFS ET CONTEXTE Liquéfaction des hydrocarbures légers (100 à 190 K) Liquéfaction de l’air et séparation des constituants de l’air (50 à 100 K) Liquéfaction de H2 et vide supra (10 à 50 K) Liquéfaction de He et supraconductivité (< 10 K) 3 INSTALLATION DE LIQUÉFACTION DU MÉTHANE Transport sous forme liquide (≈1 atm et –161° C) 75 000 tonnes 150 000 m3 GNL 90 000 000 m3 gaz NTP Terminal méthanier : refroidissement et liquéfaction préalable au transport (QF = 200 MW) Chargement : 4 jours Source : WWW 401 Source : WWW 402 4 LIQUÉFACTION ET DISTILLATION DE L’AIR Unité industrielle de liquéfaction et de séparation par distillation des gaz de l’air Réservoirs séparés de stockage pour l’azote liquide et l’oxygène liquide Applications en métallurgie, santé, micro-électronique, environnement… Source : WWW 403 Azote et oxygène liquide, argon et autres gaz purifiés Métallurgie, santé, micro-électronique, environnement, propulsion… 5 AZOTE ET OXYGÈNE LIQUIDES – GAZ PURS Source : WWW 405 Source : WWW 404 6 HYDROGÈNE LIQUIDE Moteur cryogénique Vulcain du lanceur Ariane 5 Station service prototype Source : WWW 409 Source : WWW 408 Source : WWW 407 Source : WWW 406 7 HÉLIUM LIQUIDE Collisionneur LHC du CERN à Genève Aimants supraconducteurs température d’exploitation = 1,9 K Hélium liquide Source : WWW 411 Source : WWW 410 8 II – DONNÉES THERMODYNAMIQUES DIAGRAMMES ET TRAJETS Équations d’état très spécifiques pour les très basses température Utilisation des profils thermodynamiques « généraux » proposés par les logiciels de simulation (ProSim, Aspen et similaire) avec circonspection Préférer les bases de données et modèles « propriétaire » (Praxair, Air Liquide, Air Products, Linde…) Divers diagrammes et bases de données thermo Coolpack… 9 1 – DIAGRAMME DE PHASES Température Pression Triple Solide Liquide Vapeur Supercritique Hypercritique Spécificité liée à ce que les fluides manipulés sont disponibles dans le domaine hypercritique 10 COORDONNÉES CRITIQUES P (bar) T (K) Hélium 4 2,27 5,20 Hydrogène 13,13 33,19 Azote 34,00 126,20 Oxygène 50,43 154,58 Argon 48,98 150,86 Air 37,71 132,55 P (bar) T (K) Méthane 45,96 190,45 Ethane 48,84 305,35 Dioxyde de carbone 73,83 304,21 Eau 220,64 647,10 11 POINTS TRIPLES P (bar) T (K) Hélium 4 N’existe pas Hydrogène 0,072 13,85 Azote 0,1253 63,16 Oxygène 0,00152 64,22 Argon 0,687 103,28 Air ≈ 63 P (bar) T (K) Méthane ≈ 90 Ethane ≈ 90 Dioxyde de carbone 5,184 216,55 Eau 0,00612 273,16 "YouTube helium superfluid" http://www.youtube.com/ watch?v=2Z6UJbwxBZI 12 HÉLIUM SUPERFLUIDE Quand T < 2,17 K : superfluide 4He = boson (3He = fermion) Bosons : particules dans des états quantiques particuliers absence d’interaction entre atomes absence de viscosité Source : WWW 412 13 2 – DIAGRAMME ENTHALPIQUE DU MÉTHANE Critique P = 46,0 bar t = – 82,7° C Source : COOLP 301 14 LOGICIEL COOLPACK http://www.ipu.dk/English/IPU- Manufacturing/Refrigeration-and-energy- technology/Downloads/CoolPack.aspx DTU Lyngby (DK) Téléchargement Téléchargement Téléchargement Téléchargement libre libre libre libre version 1.50 Calcul de points Tracé de diagrammes R50 (CH4) R170 (C2H6) R744 (CO2) R728 (N2) R732 (O2) R740 (Ar) R729 (Air) Source : COOLP 301 15 3 – DIAGRAMMES DE L’AIR Pseudocritique P = 37,7 bar t = – 140,6° C Source : COOLP 301 N2 plus volatile que O2 Si t = – 183° C N2 : PSat = 3,655 bar O2 : PSat = 1,009 bar Allure des isenthalpes à haute pression Refroidissement possible par détente isenthalpe si T < – 100° C 16 DIAGRAMME ENTROPIQUE DE L’AIR Source : COOLP 301 isenthalpe Critique P = 2,27 bar t = – 267,95° C 4 – DIAGRAMME T-s DE L’HÉLIUM (NBS) 17 3 K 5 K 10 K 15 K 20 K 25 K Enthalpie résiduelle ≈nulle à T > 20 K Pas de refroidissement possible par détente isenthalpe si T > 20 K Source : WWW 413 18 III – CYCLES THERMODYNAMIQUES POUR LA LIQUÉFACTION Etudier les évolutions thermodynamiques des fluides qui permettent leur liquéfaction Liquéfaction de l’air Liquéfaction des hydrocarbures Source : WWW 414 Source : WWW 415 – 150 – 50 – 200 – 75 – 100 – 125 – 175 0 – 25 25 19 1 – TRAVAIL THÉORIQUE MINIMUM Exemple de l’air Comp. isotherme Détente isentrope Le travail théorique minimum vaut la variation d’exergie Entropie (J/kg/K) Température (° C) 1000 0 2000 3000 25° C 1 atm – 194,4° C 1 atm Compression isotherme Détente isentrope 1 3 A 1 3 0 1 3 A ex - ex w ) s (s T ) h (h w = − − − = 4 2 3 1 Q0 à T0 Source : COOLP 301 20 2 – CYCLES À RENDEMENT THÉORIQUE MAXIMUM ( ) ( ) isobare) , (isotherme c n (T) Ericsson de Cycle isochore) , (isotherme c n (T) Stirling de Cycle 0 (T) Carnot de Cycle dV V T c c dT c n dV P dU dT (T) Q P V V P V = ϕ ⇒ = ϕ ⇒ = ϕ ⇒ − + = + = ϕ = δ Voir chapitre II – Installations motrices à vapeur – § IV-2-2 Cas d’un gaz parfait Les trajets B A et C D doivent se déduire l’un de l’autre par translation horizontale ! Céder en un point du cycle la chaleur prélevée en un autre point, à même température T s TC TF B C QC QF A D 21 MOTEUR STIRLING ET GÉNÉRATEUR STIRLING Moteur Stirling (Voir Chapitre II – § IV-2-2) Générateur thermodynamique Stirling Source froide (ambiante) Source froide (air liquide) Source chaude (flamme) Source chaude (ambiante) W Stirling (He) QF QC W Stirling (gaz) QF QC Comp. 22 Ne pas confondre avec le moteur à cycle de Stirling (qui produit du travail) Cycle décrit dans le sens horaire Ici, on utilise un cryocooler ou réfrigérateur (qui consomme du travail) et permet de faire passer de la chaleur (QF) d’une source froide vers une source chaude (QC) Cycle décrit dans le sens antihoraire Détente V P TFr TCh QF QC QI QI CYCLE DE STIRLING (1) C B A D Comp. 23 CYCLE DE STIRLING (2) Fluide non condensable (H2 ou He) Compression isotherme Refroidissement isochore Détente isotherme Réchauffement isochore QC échangé avec de l’eau (ambiante) QI échangé au sein du cycle (régénérateur) QF – source froide (– 195° C) – utilisé pour liquéfier de l’air à pression atmosphérique Détente V P TFr TCh QF QC QI QI C B A D 24 CYCLE DE STIRLING (3) PA PB R PA PB R PA PB PA PB R PA PB 1-2 – Compress. isotherme 2-3 – Refroidiss. isochore 4-1 – Réchauff. isochore 3-4 – Dét. isotherme QC QF QI QI Position Piston A Position Piston B Volume (PA – PB) Source : VICH 401 Comp. 25 Piston compresseur (supérieur) Piston balayeur (inférieur) Le gaz traverse le régénérateur (fil de cuivre – φ = 20 µm – 800 m/cm3) en passant d’un compartiment à l’autre Détente V P TFr TCh QF QC QI QI QF QC QI Eau de refroidissement Condensation de l’air au contact de la culasse froide MACHINE DE PHILIPS À CYCLE DE STIRLING (1) Source : WWW 263 C B A D 26 MACHINE DE PHILIPS À CYCLE DE STIRLING (2) 1 Piston compresseur 2 Bielle principale 3 Bielle du balayeur 4 Réfrigérant à eau 5 Régénérateur (fil cuivre) 6 Piston balayeur 7 Culasse de condensation 8 Réservoir d’hélium 9 Moteur électrique Source : VICH 401 27 CRYOCOOLERS STIRLING 50 à 100 K – 0,5 Watt froid Vision nocturne, guidage de missiles… Information publiée tronquée... Alim. électrique 12 ou 24 Volts InfraRed Associates Compressor, regenerator … Helium, 50 à 100 K Air Liquide Pulse tube Stirling cryocooler 2 pistons oscillants en opposition avec moteurs linéaires Piston déplaceur sur ressort en oscillation à sa fréquence propre Hélium, 10 à 80 K Source : WWW 416 Source : WWW 417 – 150 – 50 – 200 – 75 – 100 – 125 – 175 0 – 25 25 28 3 – CYCLE À DÉTENTE SIMPLE (LINDE) Cas de l’air Compression isotempérature à ≥100 bar Echangeur froid Détente isenthalpe Séparation 2 phases Recyclage du refus de liquéfaction Entropie (J/kg/K) Température (° C) 1000 0 2000 3000 4000 25° C 1 atm – 194,4° C 1 atm Compression 6 5 2 1 3 4 Séparation Source : COOLP 301 29 MACHINE DE LINDE (1895) Grand prix de l’exposition universelle (Paris – 1900) Source : WWW 419 Source : WWW 418 30 K Ref. Compression refroidie à ≥100 bar Echangeur froid gain thermique (Q = m q) si mal isolé Détente isenthalpe Séparation 2 phases Recyclage du refus de liquéfaction Performance limitée Echangeur « boîte » froide W SCHÉMA DU CYCLE À DÉTENTE SIMPLE 6 5 2 1 3 4 V Séparateur Alimentation (Débit mL) Production (Débit mL) Refus recyclé (Débit m – mL) Compression multiétagée refroidie (Débit m) Q QRef 31 CYCLE À DÉTENTE SIMPLE EN DIAGRAMME Log(P)-h Détente vanne 4 6 5 Séparateur gaz-liquide Production Gaz recyclé Fluide supercritique Boîte froide 3 uploads/Finance/ chapitre-4-procedes-cryogeniques-pdf.pdf