Techniques de liquéfaction hélium

Modes de fonctionnements

Selon les besoins, on a l’habitude de classer les machines en 3 catégories.

Le liquéfacteur : l’hélium liquide produit par le liquéfacteur est transférer vers un où plusieurs sites à refroidir. Dans ce cas, il faut ré-injecter en permanence dans la machine, une quantité d’hélium pour pallier celui que l’on soutire.

Le réfrigérateur : on utilise cet appareil pour refroidir une expérience dédiée. La quantité d’hélium qui est vaporisé par l’expérience est reliquéfiée.

L’appareil "mixte : qui utilise les 2 modes ci dessus.

Au Centre de Liquéfaction de Grenoble, les appareils fonctionnent en liquéfacteurs purs.


Les cycles thermodynamiques

Le cycle thermodynamique utilisé pour liquéfier l’hélium est le cycle de Claude. C’est un cycle qui associe le cycle de Joule Thomson et le cycle de Brayton.

Le cycle de Joule Thomson

Pendant ce cycle, en dessous de sa température d’inversion, si on détend de manière isenthalpique un gaz (détente Joule Thomson), il se refroidit.

 
 Dans le diagramme T/S (température en fonction de l’entropie) ci contre, on voit qu’en dessous d’environ 40 K, si on détend l’hélium de 15 bar à 1 bar de manière isenthalpique, le gaz se refroidit.

A partir d’une pression de 15 bar (pression typique de fonctionnement d’un compresseur de liquéfacteur) et d’une température inférieure à 7.5 K, cette détente jusqu’à 1 bar franchi la limite liquide/vapeur.

Dans ce cas, la détente de Joule Thomson produit du liquide.

 
 
Le cycle Joule Thomson

A partir du gaz comprimé par le compresseur (1), on le refroidit à travers une ligne d’échangeurs jusqu’à une température (2) assez basse pour qu’aprés la détente Joule Thomson (3), le gaz passe en phase liquide.

Les vapeurs recyclées cèdent leur chaleur à travers les échangeurs et sont recomprimées.

 


Gràce à ce cycle, on sait maintenant comment amener l’hélium de l’état gazeux à l’état liquide.
Mais on a vu que pour que la détente Joule Thomson produise du froid, il faut que la température du gaz avant la détente soit inférieure à sa température d’inversion.
Les premiers liquéfacteurs utilisaient des cycles de refroidissement en "cascades" où on thermalisait le gaz à refroidir sur différents étages remplis de liquides cryogéniques sous pression réduite (azote liquide, hydrogène liquide).
Pour extraire l’énergie du gaz à refroidir et abaisser ainsi sa température, les appareils actuels utilisent un deuxième cycle.
En effet, si on détend le gaz en le faisant "travailler", détente isentropique avec travail extèrieur, le gaz se refroidit.

 



Le diagramme T/S ci contre, pour l’hélium vers 300 K, montre que si on détend le gaz d’une manière isentropique, passage du point 1 à 15 bar au point 2 à 1 bar, on refroidit bien l’hélium.

Pour effectuer cette détente avec travail extèrieur, il faut utiliser une machine de détente.

Ce cycle thermodynamique est le cycle de Brayton.
 
Le cycle de Brayton

 
 
L’hélium comprimé par le compresseur est utilisé pour faire travailler une machine de détente.

Il peut s’agir d’une machine à piston ou d’une turbine.

Compte tenu du facteur de qualité (rendement) de la machine de détente,
cette détente n’est pas tout à fait isentropique (du point 2 au point 3).



 

Le cycle de Claude

Ce cycle est l’association des deux cycles thermodynamiques, décrits ci dessus

 
Dans la figure de gauche, le cycle de Brayton est utilisé pour diminuer la température de l’hélium du cycle de Joule Thomson et permettre ainsi la liquéfaction par détente isenthalpique.


La figure de droite représente le cycle de Claude, avec une machine de détente.

 
Pour des problèmes technologiques et thermodynamiques, les constructeurs de ces machines peuvent choisir d’utiliser plusieurs machines de détentes, placées en parallèles ou en séries.
Quoiqu’il en soit, toutes les machines de liquéfaction ou de réfrigération de faibles à fortes puissances, utilisent des combinaisons de cycles de Joule Thomson et de Brayton.

Le pré- refroidissement à l’azote liquide

Pour refroidir l’hélium de la température ambiante jusqu’à 4 K, 73 % de l’énergie du gaz doit être extraite entre 300 K et 80 K, grosse partie du travail réalisée par les machines de détentes.
En effectuant ce travail de pré-refroidissant dans un échangeur d’azote liquide (77 K), l’appareil devient plus performant et on peut doubler la production d’hélium liquide par rapport au même apparei fonctionnant sans pré-refroidissement LN2.

   Les liquéfacteurs du Centre de Liquéfaction de Grenoble fonctionnent avec pré-refroiditssement à l’azote liquide et 2 turbines en séries. (schéma de gauche)

On retrouve sur le panneau de supervision de l’automate de contôle et commande des liquéfacteurs , tous les composants nécessaires au fonctionnement :
 
Le compresseur et son module de déshuilage, l’ensemble de régulation de la haute et basse pression, la boite froide contenant les échangeurs de chaleur, les turbines de détentes, la vanne Joule Thomson et enfin le réservoir de stockage d’hélium liquide.

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