DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE LIQUÉFACTION D'UN FLUIDE TEL QUE L'HYDROGÈNE ET/OU DE L'HÉLIUM

Description

[0001] L'invention concerne un dispositif et un procédé de liquéfaction d'un fluide tel que l'hydrogène et/ou de l'hélium.

[0002] L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide tel que l'hydrogène et/ou l'hélium comprenant un circuit de fluide à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source de fluide et une extrémité aval destinée à être reliée à un organe de collecte du fluide, le dispositif comprenant un ensemble d'échangeur(s) de chaleur en échange thermique avec le circuit de fluide à refroidir, le dispositif comprenant au moins un premier système de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur, le premier système de refroidissement étant un réfrigérateur à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle, ledit le réfrigérateur comprenant, disposés en série dans un circuit de cycle : un mécanisme de compression du gaz de cycle, au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme de détente du gaz de cycle et au moins un organe de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression en série composés d'un ensemble de compresseur(s) à roue(s) de type centrifuge, les étages de compressions étant montés sur des arbres entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s), le mécanisme de détente comprenant au moins un étage de détente composé d'un ensemble de turbine(s) de type centripète ayant une pression de travail en entrée déterminée, et dans lequel la turbine, ou respectivement, au moins une des turbines, est accouplée au même arbre qu'au moins un étage de compression de façon à fournir à l'étage de compression du travail mécanique produit lors de la détente.

[0003] Les solutions de liquéfaction d'hydrogène (H2) de l'état de l'art antérieur intègrent des compresseurs de cycle qui atteignent des rendements isothermes relativement faibles (de l'ordre de 60% à 65%) et avec une capacité volumique relativement limitée au prix cependant d'un investissement assez conséquent et des coûts de maintenance élevés.

[0004] Le document EP3368630 A1 décrit un procédé de liquéfaction d'hydrogène connu. Le document EP2211124A1 décrit un dispositif de réfrigération et de liquéfaction d'l'hydrogène selon la préambule de la revendication 1.

[0005] Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.

[0006] A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est caractérisé en ce que le taux de détente aux bornes de la au moins une turbine accouplée à un étage de compression est configuré pour réaliser une baisse de pression du gaz de cycle dont la valeur ne diffère pas de plus de 40 % de la valeur de l'augmentation de pression aux bornes de l'étage de compression auquel elle est accouplée.

[0007] Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

• le mécanisme de détente comprend au moins deux étage de détente en série composés d'un ensemble de turbines de type centripète en série, et en ce que, selon le sens de circulation du gaz de cycle, au moins deux turbines en série sont accouplées respectivement avec des étages de compression pris dans l'ordre inverse de leur disposition en série, c'est-à-dire que, au moins une turbine est accouplée avec un étage de compression situé en amont d'un étage de compression accouplé à une autre turbine qui la précède dans le circuit de cycle,
• le mécanisme de compression comprend uniquement des compresseurs de type centrifuge,
• le mécanisme de détente comprend uniquement des turbines de type centripète,
• l'accouplement mécanique de la au moins une turbines et du ou des étages de compression à un même arbre est configuré pour assurer une vitesse de rotation identique ou sensiblement identique de la turbine et des étages de compression accouplés,
• le dispositif comprend seize étages de compression et huit turbines ou douze étages de compression et six turbines ou huit étages de compression et quatre turbines ou six étages de compression et trois turbines ou quatre étages de compression et trois turbines ou trois étages de compression et deux ou trois turbines ou deux étages de compression et une ou deux turbines,
• l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur dans lesquels deux portions distinctes du circuit de cycle à des conditions thermodynamiques distinctes circulent simultanément à contre-courant pour respectivement le refroidissement et pour le réchauffage du gaz de cycle.

[0008] L'invention concerne également un procédé de production d'hydrogène à température cryogénique, selon la revendication 10.

[0009] Selon d'autres possibilités le gaz de cycle comprend au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote, du néon, du fréon, un hydrocarbure (à compléter) et/ou le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle est configuré pour refroidir le gaz de cycle à la sortie de la au moins une turbine ou à la sortie d'au moins une des turbines.

[0010] L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.

[0011] D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig.1] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation possible de l'invention,

[Fig.2] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un deuxième exemple de réalisation possible de l'invention,

[Fig.3] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un troisième exemple de réalisation possible de l'invention,

[Fig.4] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un quatrième exemple de réalisation possible de l'invention,

[Fig.5] représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un cinquième exemple de réalisation possible de l'invention,

[Fig.6] représente une vue schématique et partielle illustrant un détail du quatrième exemple de réalisation possible de l'invention illustrant un exemple de structure et de fonctionnement possible d'un moto-turbocompresseur du dispositif,

[Fig.7] représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de turbine et roue de compresseur accouplé avec les pressions d'entrée et de sortie respectives,

[Fig.8] représente une vue schématique et partielle illustrant un autre mode de réalisation simplifié.

[0012] Le dispositif 1 de liquéfaction d'un fluide représenté à la [Fig.1] peut être prévu pour la liquéfaction de l'hydrogène mais peut s'appliquer à d'autres gaz, notamment l'hélium ou tout mélange. De même, le dispositif peut assurer le refroidissement ou la liquéfaction de tout autre fluide : gaz naturel, hélium, méthane, biométhane, azote, oxygène, néon, combinaison de ces gaz. Le dispositif 1 comprend un circuit 3 de fluide à refroidir (typiquement de l'hydrogène) ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source 2 de fluide gazeux et une extrémité aval 23 destinée à être reliée à un organe 4 de collecte du fluide liquéfié. La source 2 peut comprendre typiquement un électrolyseur, un réseau de distribution d'hydrogène, une unité de reformage de méthane (SMR) ou toute(s) autre(s) source(s) appropriée(s).

[0013] Le dispositif 1 comprend un ensemble d'échangeurs 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 de chaleur disposés en série en échange thermique avec le circuit 3 de fluide à refroidir. Un seul échangeur est également envisageable.

[0014] Le dispositif 1 comprend au moins un premier système 20 de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeurs 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 de chaleur.

[0015] Ce premier système 20 de refroidissement est un réfrigérateur à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle.

[0016] Ce gaz de cycle comprend par exemple au moins l'un parmi : de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote, du néon, du fréon, un hydrocarbure.

[0017] Ce réfrigérateur 20 comprenant, disposés en série dans un circuit 14 de cycle (de préférence fermé en boucle) : un mécanisme 15 de compression du gaz de cycle, au moins un organe 16, 5, 6, 8, 10, 12 de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme 17 de détente du gaz de cycle et au moins un organe 13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5 de réchauffage du gaz de cycle détendu.

[0018] Comme illustré, l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur qui refroidit l'hydrogène à liquéfier comprend de préférence un ou plusieurs échangeurs de chaleur 5, 6, 8, 10, 12 à contre-courant disposés en série et dans lesquels deux portions distinctes du circuit 14 de cycle circulent simultanément à contre-courant (respectivement pour le refroidissement et le réchauffage de flux distincts du gaz de cycle).

[0019] C'est-à-dire que cette pluralité d'échangeurs de chaleur à contre-courant forme à la fois un organe de refroidissement du gaz de cycle (après la compression et après des étages de détente par exemple) et un organe de réchauffage du gaz de cycle (après la détente et avant le retour dans le mécanisme de compression).

[0020] Le mécanisme de compression comprend au moins deux étages 15 de compression composés d'un ensemble de compresseurs de type centrifuge disposés en série (et éventuellement en parallèle).

[0021] Un étage 15 de compression peut être composé d'une roue d'un compresseur centrifuge motorisé.

[0022] Les étages de compression 15 (c'est-à-dire les roues de compresseurs) sont montés sur des arbres 19, 190 entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s) 18 (au moins un moteur). De préférence, tous les compresseurs 15 sont de type centrifuge.

[0023] Le mécanisme de détente comprend quant à lui au moins un étage de détente formé de turbine(s) 17 de type centripète (disposées au moins en partie en série s'il y a plusieurs étages de détente. De préférence toutes les turbines 17 sont de type centripète et sont majoritairement disposées en série).

[0024] Au moins une des turbines 17 est accouplée au même arbre 19 qu'un étage de compression 15 d'un compresseur de façon à fournir au compresseur du travail mécanique produit lors de la détente.

[0025] La au moins une turbine 17 et l'étage de compression correspondant accouplés sont configurées structurellement de sorte que la pression P2t du gaz de cycle qui sort de la turbine 17 ne diffère pas plus de 40% et de préférence de pas plus de 30% ou pas plus de 20% de la pression P1c du gaz de cycle en entrée de l'étage de compression 15 (cf. [Fig.7]).

[0026] De même, la au moins une turbine 17 et l'étage de compression correspondant accouplés sont de préférence configurés structurellement également (ou éventuellement alternativement) de sorte que la pression du gaz de cycle qui entre dans la turbine 17 ne diffère pas plus de 40% et de préférence de pas plus de 30% ou pas plus de 20% de la pression du gaz de cycle en sortie de l'étage de compression.

[0027] Cette combinaison de particularités techniques (compression centrifuge, détente centripète, transfert de travail des turbines vers les compresseurs et réglage des pressions entre les roues accouplées de compression et détente) améliore l'efficacité du dispositif par rapport aux solutions connues.

[0028] Cette configuration structurelle des turbines (par exemple roue de turbine) et étages de compression (par exemple roue de compression) signifie que ces deux éléments sont dimensionnés (forme et/ou dimension de la roue et/ou de leur volute et/ou de leur distributeur d'entrée le cas échéant) pour réaliser respectivement des compressions et des détentes de même valeur absolue ou proches comme précisé ci-dessus. C'est-à-dire que, par conception, ces deux éléments accouplés pourront atteindre ces rapports de compression et détente (sans utiliser d'autre élément actif ou passif dans le circuit de cycle), de préférence quelles que soient les conditions du flux de gaz de cycle.

[0029] Par exemple, le taux de détente aux bornes de la au moins une turbine 17 accouplée à un étage de compression peut être configuré pour réaliser une baisse de pression du gaz de cycle dont la valeur ne diffère pas de plus de 40 % ou pas plus de 20% de la valeur de l'augmentation de pression aux bornes de l'étage de compression 15 auquel elle est accouplée.

[0030] En se référant par exemple à la [Fig.7], si le compresseur 15 est accouplé à la turbine 17 et qu'il travaille entre 10 bar et 15 bar (compression du flux initialement à P1c= 10bar à une pression de sortie P2c= 15bar, il est avantageux de faire détendre ce flux par la turbine 17 sur des pressions entre 15 et 10 bar (P1t=15bar et P2t=10bar).

[0031] Ceci améliore la répartition et l'équilibrage des efforts axiaux de l'arbre 19 qui les porte.

[0032] Les signes des efforts engendrés par les différences de pression aux bornes des roues 15, 17 étant opposés, cela tend à réduire la résultante des efforts axiaux.

[0033] Ceci s'applique de préférence également dans le cas de plusieurs turbines en série accouplées à un ou des compresseurs 15.

[0034] Ainsi, comme illustré, le mécanisme de détente peut comprendre au moins deux étages de détente en série composés d'un ensemble de turbines 17 de type centripète en série.

[0035] De plus, selon le sens de circulation du gaz de cycle, de préférence, au moins deux turbines 17 en série sont accouplées respectivement avec des étages de compression 15 pris dans l'ordre inverse de leur disposition en série. C'est-à-dire que, au moins une turbine 17 est accouplée avec un étage de compression 15 situé en amont d'un étage de compression 15 accouplé à une autre turbine 17 qui la précède dans le circuit 14 de cycle.

[0036] De préférence le dispositif comprend n turbines (étages ou roues de détente) et k étages ou roues de compresseurs, avec k >= n. Le taux de détente choisi aux bornes de chaque turbine 17 est de préférence ainsi imposé en fonction du compresseur sur lequel elles sont couplées (comme explicité ci-dessus).

[0037] Le dispositif 1 peut comporter un ou plusieurs Moto-Turbo-Compresseurs sur une partie de la station de compression. Un Moto-Turbo-Compresseurs est un ensemble comprenant un moteur dont l'arbre entraîne directement un ensemble d'étage(s) de compression (roue(s)) et un ensemble d'étage(s) de détente (turbine(s)). Ceci valorise du travail mécanique de détente directement sur un ou des compresseurs du gaz de cycle.

[0038] Le au moins un organe 16, 5, 6, 8, 10, 12 de refroidissement du gaz de cycle peut éventuellement être configuré pour refroidir le gaz de cycle à la sortie de l'une au moins des turbines 17. C'est-à-dire que, après détente dans une turbine 17, le gaz de cycle peut être refroidi d'une valeur typiquement comprise entre 2K et 30K.

[0039] Par exemple, et comme illustré, le dispositif 1 comprend plus d'étages de compression 15 que de turbines 17, par exemple deux fois plus ou environ deux fois plus. Chaque turbine 17 peut être accouplée au même arbre 19 qu'une unique roue de compresseur 15 respective entraîné par un moteur 18 respectif. La ou les autres roues de compresseurs 15 (étage(s)) non accouplées à une turbine 17) peuvent être montées seules sur des arbres 190 rotatifs entraînés par des moteurs 18 respectifs distincts (Moto-compresseur).

[0040] Comme illustré, les étages de compression 15 accouplés à une turbine 17 et les compresseurs non accouplés à une turbine 17 peuvent être alternés en série dans le circuit 14 de cycle.

[0041] Le mécanisme de compression peut comprendre plus de six étages de compression en série. Bien entendu ceci n'est nullement limitatif. Le taux minimal de compression (par la technologie centrifuge) pour parvenir à liquéfier de l'hydrogène doit être de préférence de l'ordre de 1,3 à 1,6.

[0042] Quatre étages de compression 15 en série permettent notamment d'atteindre un rendement isotherme très bon par rapport aux solutions connues de compression à piston, au prix d'un débit massique d'hélium relativement important.

[0043] Dans l'exemple non limitatif illustré à la [Fig.1], seul quatre étages de compression 15 et trois turbines 17 sont représentés mais le dispositif 1 pourrait comprendre huit étages de compression 15 et quatre turbines 17. Tout autre répartition peut être envisagée, par exemple seize étages de compression 15 et huit turbines 17 ou douze étages de compression et six turbines ou six étages de compression et trois turbines ou quatre compresseurs et trois turbines, ou trois étages de compression et deux turbines (étages de détente) ou deux étages de compression et un étage de détente...

[0044] Un refroidissement peut être prévu en aval de tout ou partie des étages de compression ou en aval de tout ou partie des compresseurs 15 (par exemple via un échangeur 16 de chaleur refroidi par un fluide caloporteur ou tout autre réfrigérant notamment distinct du gaz de cycle). Ce refroidissement peut être prévu après chaque étage de compression ou, comme illustré tous les deux étages de compression 15 (ou plus) ou uniquement en aval de la station de compression. De manière surprenante, cette répartition du refroidissement non pas à la sortie de chacun des étages de compression 15 en série mais tous les deux (ou trois) étages de compression 15 permet d'atteindre les performances de refroidissement tout en limitant les coûts du dispositif 1.

[0045] De même, le au moins un organe de refroidissement du gaz de cycle peut comprendre facultativement un système 8, 10, 12 de refroidissement du gaz de cycle, tel qu'un échangeur de chaleur, disposé à la sortie d'au moins une partie des turbines 17 en série.

[0046] Ce refroidissement intermédiaire inter-détente permet de limiter la valeur de la pression haute nécessaire pour atteindre les températures les plus froides au gaz de cycle.

[0047] Comme illustré à la [Fig.1], le dispositif 1 peut comprendre un système de refroidissement du gaz de cycle, tel qu'un échangeur de chaleur, à la sortie de toutes les turbines 17 à l'exclusion de la dernière turbine 17 en série selon le sens de circulation du gaz de cycle. Comme illustré, ce système de refroidissement peut être assuré par des échangeurs de chaleur 8, 10, 12 à contre-courant respectifs précités.

[0048] Ce refroidissement après détente permet un étagement de température (c'est-à-dire atteindre des températures distinctes de plus en plus basses après chaque étage de détente) pour extraire du froid au fluide à refroidir. Cet étagement de températures est obtenu par cet agencement et via un taux de compression minimal obtenu pour alimenter ces différentes turbines 17.

[0049] L'agencement de plusieurs étages de compression 15 centrifuges en série en amont permet d'obtenir ce différentiel de pression permettant un étagement adéquat du refroidissement en aval. En effet, pour une même différence de pression, plus la température diminue, plus la chute enthalpique à entropie constante lors de la détente diminue. L'agencement des turbines 17 en série et le refroidissement 8, 10 en sortie des turbines a pour effet d'augmenter le débit massique moyen des turbines 17 par rapport à un étagement classiquement connu. Le rendement isentropique théorique a ainsi tendance à augmenter et donc permet d'atteindre des meilleurs rendements des turbines 17.

[0050] En particulier, le refroidissement 8, 10 entre les étages de détente permet au fluide de cycle d'atteindre les températures de liquéfaction cible sans nécessiter un taux de compression global encore plus grand. Les détentes sont de préférence isentropiques ou quasi isentropiques. C'est-à-dire que le fluide de cycle est refroidi au fur et à mesure et le fluide liquéfié.

[0051] Ainsi, la température minimale est atteinte directement en sortie du dernier étage de détente quasi-isentropique (c'est-à-dire en aval de la dernière turbine 17 de détente). Il n'est ainsi pas nécessaire de prévoir en plus en aval une vanne de détente de type Joule-Thomson par exemple. Le froid et notamment une température de sous-refroidissement de l'hydrogène à liquéfier peut être obtenu exclusivement avec des turbines 17 (extraction de travail).

[0052] De préférence, la majorité ou toutes les turbines 17 sont accouplées avec un ou des compresseurs 15 respectifs.

[0053] Comme mentionné ci-dessus, de préférence les turbines 17 successives sont de préférence accouplées respectivement avec des étages de compression 15 de compresseurs pris dans l'ordre inverse de leur disposition en série. C'est-à-dire que, par exemple, une turbine 17 est accouplée avec un compresseur 15 situé en amont d'un compresseur 15 accouplé à la turbine 17 qui la précède.

[0054] L'ordre d'association des turbines 17 et compresseurs accouplés est donc de préférence au moins en partie inversé entre les turbines et les compresseurs (dans le circuit de cycle, une turbine plus en amont est accouplée avec un compresseur plus aval).

[0055] Ainsi, dans le cas par exemple d'une architecture à six étages de compression 15 en série et trois étages de détente en série, la première turbine 17 (c'est-à-dire la première turbine 17 après le mécanisme de compression) peut être accouplée au cinquième compresseur 15 en série (cinquième étage de compression) tandis que la deuxième turbine 17 peut être accouplée au troisième compresseur 15 en série (troisième étage de compression), la troisième turbine 17 peut être accouplée au premier compresseur 15 en série (premier étage de compression). Les autres compresseurs 15 formant les autres étages de compression peuvent ne pas être accouplés à une turbine (système moto-compresseur et non moto-turbo-compresseurs). Ainsi, la turbine 17 la plus puissante (la plus en aval) peut être accouplée au premier étage de compression (le premier étage de compression aspire à la basse pression du cycle). A ce niveau de relative basse pression, plus le taux de compression du compresseur 15 est grand, moins l'impact des pertes de charge à son niveau est ressenti (et ainsi de suite avec les autres compresseurs 15).

[0056] Cet exemple ci-dessus n'est bien entendu nullement limitatif. Par exemple, les turbines 17 pourraient être accouplées respectivement aux compresseurs 15 de numéro d'ordre pair (la première turbine avec le sixième compresseur, la deuxième turbine avec le quatrième compresseur etc....) ou avec des compresseurs directement en série (par exemple la première turbine 17 avec le sixième compresseur 15, la deuxième turbine avec le cinquième compresseur etc...).

[0057] Dans l'exemple illustré avec alternance d'un compresseur 15 accouplé à une turbine 17 puis un compresseur 15 non accouplé à une turbine, les pressions de travail des turbines 17 peuvent être calées sur les pressions de travail des compresseurs 15 « un par un » ou « deux par deux » (c'est-à-dire que la première turbine 17 travaille sur le taux de compression des Sème ou 6ème compresseurs 15; de même la deuxième turbine 17 travaille sur le taux de compression des 3ème ou 4ème compresseurs, etc... Si on considère un binôme de deux compresseurs 15 en série (un compresseur à une roue de compression accouplée à une turbine suivi d'un compresseur à une roue de compresseur non accouplé à une turbine), le premier de ces deux compresseurs comprime par exemple le gaz de cycle à une première pression PA tandis que le second comprime ce gaz de cycle ensuite à une seconde pression PB avec PB > PA. La turbine 17 qui va être accouplée au premier de ces deux compresseurs va préférentiellement détendre le gaz de cycle de la seconde pression PB à la première pression PA. Ceci peut être obtenu par exemple en ajustant les caractéristiques de cette turbine 17 suivant cette contrainte. Par exemple, il y a ajustement de la section du distributeur calibrant le débit arrivant à la turbine 17, ce qui a un effet sur la chute de pression se produisant dans la partie distributeur et la partie roue de la turbine.

[0058] Ainsi, par exemple lorsque des turbines sont accouplés tous les deux étages de compression en série, les relations de pression détaillées précédemment (entrée/sortie) entre les étages de détente et de compression accouplés peuvent donc s'appliquer soit à l'étage de compression seul qui porte la turbine soit à un ensemble de deux roues de compresseur en série. De plus, le ou les accouplements mécaniques des turbines 17 et roues 15 de compresseurs à un même arbre 19 est (sont) configuré(s) pour assurer de préférence une vitesse de rotation identique (ou sensiblement identique) de la turbine 17 et des roues de compresseur 15 accouplées. Ceci permet d'obtenir une valorisation directe et efficace du travail de détente dans le dispositif. Le cas échéant, les vitesses de rotation de toutes les roues de compresseurs et turbines peuvent être égales à une seule et même valeur déterminée.

[0059] Un organe de contrôle peut être prévu facultativement pour tout ou partie des étages de compression. Par exemple un variateur de fréquence (« VFD ») peut être prévu pour chaque moteur 18 entraînant au moins un étage de compression. Ceci permet d'ajuster indépendamment les vitesses de plusieurs ou de chaque étage de compression et donc la détente sans utiliser un système d'engrenage complexe ou une motorisation et un moyen de contrôle spécifique lié à des aubages variables en amont d'un ou plusieurs étages de compression. Cet organe de contrôle en vitesse peut être prévu pour l'ensemble des compresseurs ou pour chaque étage de compression.

[0060] De préférence, le dispositif 1 ne comprend pas de vanne de débit ou pour réduire la pression dans le circuit (perte de charge) entre les étages de compression, entre les étages de détente ou en aval de la détente du cycle. Ainsi seules des vannes d'isolement pour la maintenance peuvent être prévues dans le circuit 14 de cycle.

[0061] C'est-à-dire que le point de fonctionnement des turbines 17 (vitesse, pression) peut être réglé uniquement par les caractéristiques dimensionnelles de la turbine 17 (pas de vanne de laminage en entrée de turbine par exemple). Ceci augmente la fiabilité du dispositif (pas de problème potentiel de défaillance de vannes de contrôle sur le procédé, car elles sont absentes). Ceci permet en outre l'élimination de circuits annexes coûteux (soupapes de sécurité...) et simplifie la fabrication (réduction du nombre de lignes à isoler...).

[0062] L'utilisation d'un gaz de cycle à base d'hélium permet d'atteindre des températures en vue d'un sous-refroidissement de l'hydrogène liquéfié sans risque de zone subatmosphérique dans le procédé (ce qui serait dangereux si fluide de cycle était de l'hydrogène) et sans risque de geler la source froide (la température maximale de liquéfaction de l'hélium est égale à 5,17K). L'effet de sous-refroidissement de l'hydrogène liquéfié présente un avantage très notable sur la chaîne de transport de la molécule hydrogène puis potentiellement chez les utilisateurs (stations liquides typiquement) grâce à la réduction des gaz de vaporisation (« Boil-off ») pendant les trajets.

[0063] Il est ainsi possible d'atteindre le point de gel (13K) côté flux d'hydrogène à liquéfier sans cristalliser la source froide.

[0064] La partie à basse pression du circuit 14 de cycle peut être opérée à une pression relativement élevée. Ceci permet de réduire les débits volumiques dans les échangeurs de chaleur 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13. La pression de travail du gaz de cycle peut ainsi être dé-corrélée de la pression ou de la température cible du fluide à refroidir. Cette pression du gaz de cycle peut ainsi être augmentée pour s'adapter aux contraintes de la turbomachine mais également pour réduire le débit volumique à basse pression qui est, en règle générale, un des paramètres majeurs dimensionnant les échangeurs de chaleur.

[0065] Ce niveau de basse pression dans le circuit 14 de cycle est par exemple supérieur ou égal à 10 bar et peut être compris typiquement entre 10 et 40 bar. Ceci diminue le débit volumique dans les échangeurs de chaleur qui contrebalance le faible taux de compression par étage de compression.

[0066] Comme illustré, le dispositif 1 peut comprendre un second système de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur(s) 5 de chaleur en échange avec le gaz de cycle par exemple. Ce second système 21 de refroidissement comprend par exemple un circuit 25 de fluide caloporteur tel que de l'azote liquide ou un mélange de réfrigérants qui refroidit le gaz de cycle et/ou l'hydrogène à liquéfier au travers du premier ou des premiers échangeurs de chaleur à contre-courant, et peut également permettre de lutter contre les pertes par écart au bout chaud engendré par la mise en circulation en boucle fermée du ou des fluide(s) caloporteur(s), comme illustré sur la [Fig.1] via au moins un échangeur 5 de pré-refroidis sement.

[0067] Ce second système 21 de refroidissement permet par exemple de pré-refroidir le fluide à liquéfier et/ou le gaz de travail en sortie du mécanisme de compression. Ce réfrigérant qui circule dans le circuit 25 de fluide caloporteur (par exemple en boucle) est par exemple fourni par une unité 27 de production et/ou de stockage 28 de ce réfrigérant. Le cas échéant, le circuit 3 de fluide à refroidir transite via cette unité 27 en vue d'un pré-refroidissement amont. A noter qu'il est envisageable que le dispositif 1 dispose d'autre(s) système(s) de refroidissement additionnel(s). Par exemple, un troisième circuit de refroidissement alimenté par un groupe froid (par exemple fournissant une source froide à température typiquement comprise entre 5°C et -60°C) peut être prévu en plus du système précité. Un quatrième système de refroidissement pourrait également être prévu pour encore fournir du froid au dispositif 1 et augmenter la puissance de liquéfaction du dispositif 1 si besoin. Le mode de réalisation de la [Fig.2] se distingue du précédent uniquement en ce que le circuit 14 de cycle comprend une conduite 22 de renvoi ayant une première extrémité reliée à la sortie d'une des turbines 17 (autre que la dernière en aval) et une seconde extrémité reliée à l'entrée d'un des compresseurs 15 autre que le premier compresseur 15 (en amont). Cette conduite 22 de renvoi permet de renvoyer une partie du flux de gaz de cycle dans le mécanisme de compression à un niveau de pression intermédiaire entre la pression basse en entrée du mécanisme de compression et la pression haute en sortie du mécanisme de compression.

[0068] La conduite 22 de renvoi peut être en échange thermique avec au moins une partie des échangeurs de chaleur à contre-courant. Plusieurs conduites de renvoi à la station de compression à pression intermédiaire peuvent être avantageusement installées suivant le niveau d'optimisation escomptée du procédé. Par exemple, les points de prélèvement (au niveau des turbines considérées) et d'injection (au niveau des étages de compression considérés) peuvent être situés à des niveaux de pression différents.

[0069] Le mode de réalisation de la [Fig.3] se distingue du précédent uniquement en ce que le circuit 14 de cycle comprend en outre une conduite 24 de dérivation partielle ayant une première extrémité reliée en amont d'une turbine 17 (par exemple la première turbine 17 amont) et une seconde extrémité reliée à l'entrée d'une autre turbine 17 située en aval (par exemple la troisième turbine). Par exemple, la conduite 24 de dérivation permet la dérivation d'une partie du flux de gaz de cycle sortant à haute pression du mécanisme de compression vers des turbines les plus froides plus en aval. Le reste du débit passe dans cette première turbine 17 amont plus chaude. Ceci permet, suivant le positionnement en vitesse spécifique des différentes turbines et compresseurs, d'ajuster les débits envoyés aux différents étages. Par exemple, les compresseurs situés à plus haute pression aspirent un débit volumique plus faible que les premiers étages de compression (situés proches de la basse pression du procédé). Un moyen d'augmenter ce débit volumique et ainsi de potentiellement augmenter leur rendement isentropique est d'intégrer un retour à pression intermédiaire issu des étages de détente comme représenté sur la [Fig.3].

[0070] Le dispositif 1 représenté à la [Fig.4] illustre encore un autre mode de réalisation non limitatif. Les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits en détail à nouveau.

[0071] Le circuit 14 de cycle du dispositif de la [Fig.4] comprend trois compresseurs (entraînés respectivement par trois moteurs 18). Comme illustré, chaque compresseur peut comporter quatre étages 15 de compression (c'est-à-dire quatre roues de compression en série). Ces roues 15 de compresseur peuvent être montées par accouplement direct à une extrémité d'un arbre 19 du moteur 18 concerné. Dans cet exemple, le dispositif possède donc douze étages de compression centrifuge en série. Comme représenté, un refroidissement 26 du gaz de cycle peut être prévu tous les deux étages de compression.

[0072] Le dispositif 1 possède dans cet exemple cinq étages de détente en série (six roues de turbines centripètes, dont deux disposées en parallèle), par exemple un ou deux étages de détente par compresseur. Comme illustré, toutes les turbines 17 peuvent être accouplées à un arbre 19 de compresseurs (par exemple deux turbines 17 sont montées à l'autre extrémité de l'arbre 19 de chaque moteur 18 pour fournir du travail mécanique aux roues de compresseurs 15 également montés sur cet arbre 19). Bien entendu les turbines 17 pourraient être du même côté de l'arbre 19 que les roues 15 de compression. Par exemple, les quatre premiers étages de détente sont formés de quatre turbines 17 en série. Le cinquième étage de détente est par exemple formé de deux turbines 17 disposées respectivement dans deux branches en parallèle du circuit 14 de cycle.

[0073] Le dispositif 1 représenté à la [Fig.5] se distingue de celui de la [Fig.4] en ce qu'il comprend des lignes 122, 123, 124 de retour de gaz de cycle transférant une partie du gaz de cycle sortant de turbines 17 à des niveaux intermédiaires de pression (moyenne pression) au sein de mécanisme de compression. Par exemple une ligne 124 relie la sortie de la première turbine à la sortie du huitième étage de compression. De même, une ligne 123 relie la sortie de la seconde turbine à la sortie du sixième étage de compression. De même, une ligne 122 relie la sortie de la troisième turbine 17 à la sortie du quatrième étage de compression. Bien entendu, le dispositif pourrait comporter l'une seulement ou deux seulement de ces lignes de retour à moyenne pression. De même, d'autres lignes de retour pourraient être envisagées. De plus les extrémités de ces lignes pourraient être changées (sortie d'autre(s) turbine(s) et sortie(s) d'autres étages de compression).

[0074] Ce ou ces retours permettent d'augmenter le débit volumique des compresseurs ainsi alimentés d'un surplus de débit et ainsi de potentiellement augmenter leur rendement isentropique.

[0075] Le dispositif 1 représenté à la [Fig.6] illustre un détail du dispositif 1 illustrant un exemple non limitatif de structure et de fonctionnement possible d'un agencement de moto-turbocompresseur. Une extrémité de l'arbre 19 du moteur 18 entraîne quatre roues de compresseur (quatre étages de compression 15). L'autre extrémité de l'arbre 19 est accouplée directement à deux étages de détente (deux turbines 17).

[0076] Bien entendu, tout autre type d'arrangement des étages de compression 15 et étage de détente 17 (nombre et répartition) approprié peut être envisagé (idem pour le nombre de moteurs).

[0077] Ainsi d'autres modifications sont possibles.

[0078] Des configurations différentes sont donc possibles pour les turbines 17, notamment pour les turbines aval (les plus froides).

[0079] Par exemple, comme déjà illustré, les deux derniers étages de détente (deux turbines) peuvent être installés en parallèle et non pas en série. Ceci permet d'effectuer une plus grande chute enthalpique aux bornes de ces turbines. Ceci serait réalisé au détriment du rendement (car deux turbines se partageraient 100% du débit et la différence de pression disponible serait presque doublée). Malgré cette baisse de rendement potentielle pour ces deux derniers étages de détente, le fait de réaliser une plus grande chute d'enthalpie pourrait permettre d'étager plus efficacement la détente.

[0080] En effet, un même différentiel d'enthalpie à froid induit une variation de température aux bornes d'une turbine plus faible que pour une turbine plus chaude. Ceci améliore le rendement du procédé de réfrigération et de liquéfaction. Ainsi, malgré un différentiel de température relativement réduit aux bornes des turbines, le rendement du dispositif permet de liquéfier de l'hydrogène avec un bon rendement énergétique.

[0081] Le différentiel de température provoqué par la turbine 17 peut être fonction de la température du gaz de cycle en amont de la turbine 17.

[0082] Un réservoir tampon (non représenté) et un ensemble de vanne(s) peut être prévu, préférentiellement au niveau de la basse pression, dans le but de limiter la pression maximum de remplissage en gaz du circuit de refroidissement. De préférence, le taux minimal de compression est compris entre 1,3 et 1,6 aux bornes de la station de compression. Le gaz de cycle peut être composé à 100% ou 99% d'hélium et complété d'hydrogène par exemple.

[0083] Le circuit de cycle peut comprendre à l'entrée d'au moins une des turbines 17 un dispositif de guide d'entrée (« IGV » ou « Inlet Guide Vane ») configuré pour régler le débit de fluide à un point de fonctionnement déterminé.

[0084] De plus, l'agencement des roues de compresseurs 15 et/ou turbines 17 n'est pas limité aux exemples précédents. Ainsi, le nombre et l'agencement des compresseurs 15 peut être modifié. Par exemple, le mécanisme de compression pourrait être composé de seulement trois compresseurs, chaque compresseur pourrait être muni de plusieurs étages de compression par exemple trois étages de compression c'est-à-dire trois roues de compresseur (avec ou sans refroidissement inter-étage).

[0085] La [Fig.8] illustre un autre exemple avec deux étages (roues) de compression en série et un étage (roue) de détente.

[0086] De même, deux étages de compression 15 pourraient être disposés en parallèle et en série avec d'autres étages de compression (par exemple trois en série). Les deux étages de compression en parallèle peuvent être placés en amont des autres et ainsi fournir en aval un débit relativement important à la basse pression en utilisant des machines qui peuvent être toutes identiques.

[0087] De la même façon, des turbines 17 peuvent être placées en parallèle dans le circuit 14 de cycle.

[0088] De plus, comme déjà illustré, toutes les turbines pourraient être accouplées à un ou plusieurs roues de compresseurs (par exemple une ou plusieurs turbines 17 accouplées au même arbre 19 qu'un ou plusieurs étages de compression).

[0089] Comme illustré, le circuit 3 de fluide à refroidir peut comporter un ou plusieurs organes de catalyse (pot(s) 280) en dehors d'échangeurs ou section(s) 29 d'échangeur(s)) par exemple pour la conversion d'hydrogène (ortho en para).

Revendications

1. Dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction d'un fluide tel que l'hydrogène et/ou l'hélium comprenant un circuit (3) de fluide à refroidir ayant une extrémité amont destinée à être reliée à une source (2) de fluide et une extrémité aval (23) destinée à être reliée à un organe (4) de collecte du fluide , le dispositif (1) comprenant un ensemble d'échangeur(s) (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) de chaleur en échange thermique avec le circuit (3) de fluide à refroidir, le dispositif (1) comprenant au moins un premier système (20) de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur(s) (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) de chaleur, le premier système (20) de refroidissement étant un réfrigérateur à cycle de réfrigération d'un gaz de cycle, ledit le réfrigérateur (20) comprenant, disposés en série dans un circuit (14) de cycle : un mécanisme (15) de compression du gaz de cycle, au moins un organe (16, 5, 6, 8, 10, 12) de refroidissement du gaz de cycle, un mécanisme (17) de détente du gaz de cycle et au moins un organe (13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5) de réchauffage du gaz de cycle détendu, dans lequel le mécanisme de compression comprend plusieurs étages de compression (15) en série composés d'un ensemble de compresseur(s) (15) à roue(s) de type centrifuge, les étages de compressions (15) étant montés sur des arbres (19, 190) entraînés en rotation par un ensemble de moteur(s) (18), le mécanisme de détente comprenant au moins un étage de détente composé d'un ensemble de turbine(s) (17) de type centripète ayant une pression de travail en entrée déterminée, et dans lequel la turbine (17), ou respectivement, au moins une des turbines (17), est accouplée au même arbre (19) qu'au moins un étage de compression (15) de façon à fournir à l'étage de compression (15) du travail mécanique produit lors de la détente, caractérisé en ce que la au moins une turbine (17) et l'étage de compression correspondant accouplés sont configurées structurellement de sorte la pression du gaz de cycle qui sort de la turbine (17) ne diffère pas plus de 40% et de préférence de pas plus de 30% ou pas plus de 20% de la pression du gaz de cycle en entrée de l'étage de compression (15) et en ce que la au moins une turbine (17) et l'étage de compression correspondant accouplés sont configurés structurellement de sorte que la pression du gaz de cycle qui entre dans la turbine (17) ne diffère pas plus de 40% et de préférence de pas plus de 30% ou pas plus de 20% de la pression du gaz de cycle en sortie de l'étage de compression (15) et en ce que le taux de détente aux bornes de la au moins une turbine (17) accouplée à un étage de compression est configuré pour réaliser une baisse de pression du gaz de cycle dont la valeur ne diffère pas de plus de 40 % de la valeur de l'augmentation de pression aux bornes de l'étage de compression (15) auquel elle est accouplée.

2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le mécanisme de détente comprend au moins deux étage de détente en série composés d'un ensemble de turbines (17) de type centripète en série, et en ce que, selon le sens de circulation du gaz de cycle, au moins deux turbines (17) en série sont accouplées respectivement avec des étages de compression (15) pris dans l'ordre inverse de leur disposition en série, c'est-à-dire que, au moins une turbine (17) est accouplée avec un étage de compression (15) situé en amont d'un étage de compression (15) accouplé à une autre turbine (17) qui la précède dans le circuit (14) de cycle.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le mécanisme de compression comprend uniquement des compresseurs (15) de type centrifuge.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mécanisme de détente comprend uniquement des turbines de type centripète.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte n turbines et k compresseurs, avec n et k des nombres entiers tels que k supérieur ou égal à n.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'accouplement mécanique de la au moins une turbines (17) et du ou des étages de compression (15) à un même arbre (19) est configuré pour assurer une vitesse de rotation identique ou sensiblement identique de la turbine (17) et des étages de compression (15) accouplés.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend seize étages de compression (15) et huit turbines (17) ou douze étages de compression (15) et six turbines (17) ou huit étages de compression (15) et quatre turbines (17) ou six étages de compression (15) et trois turbines (17) ou quatre étages de compression (15) et trois turbines (17) ou trois étages de compression et deux ou trois turbines ou deux étages de compression et une ou deux turbines.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ensemble d'échangeur(s) de chaleur comprend au moins un échangeur de chaleur (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) dans lesquels deux portions distinctes du circuit (14) de cycle à des conditions thermodynamiques distinctes circulent simultanément à contre-courant pour respectivement le refroidissement et pour le réchauffage du gaz de cycle.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un second système de refroidissement en échange thermique avec au moins une partie de l'ensemble d'échangeur(s) (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) de chaleur, ledit second système (21) de refroidissement comprenant un circuit (25) de fluide caloporteur tel que de l'azote liquide ou un mélange de réfrigérants.

10. Procédé de production d'hydrogène à température cryogénique, notamment d'hydrogène liquéfié, utilisant un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pression du gaz de cycle à l'entrée du mécanisme (15) de compression du gaz de cycle est compris entre deux et quarante bar abs et notamment comprise entre à huit et trente-cinq bar abs.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Kühlung und/oder Verflüssigung eines Fluids wie Wasserstoff und/oder Helium, umfassend einen zu kühlenden Fluidkreislauf (3) mit einem stromaufwärtigen Ende, das dazu bestimmt ist, mit einer Fluidquelle (2) verbunden zu werden, und einem stromabwärtigen Ende (23), das dazu bestimmt ist, mit einem Fluidspeicherorgan (4) verbunden zu werden, wobei die Vorrichtung (1) eine Anordnung aus einem oder mehreren Wärmetauschern (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) umfasst, die in thermischem Austausch mit dem zu kühlenden Fluidkreislauf (3) stehen, wobei die Vorrichtung (1) mindestens ein erstes Kühlsystem (20) umfasst, das in thermischem Austausch mit mindestens einem Teil der Anordnung aus einem oder mehreren Wärmetauschern (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) steht, wobei das erste Kühlsystem (20) eine Kältemaschine mit Zyklusgas-Kühlzyklus ist, wobei die Kältemaschine (20), in Reihe in einem Zykluskreislauf (14) angeordnet, umfasst: einen Verdichtungsmechanismus (15) zur Verdichtung des Zyklusgases, mindestens ein Kühlorgan (16, 5, 6, 8, 10, 12) zur Kühlung des Zyklusgases, einen Entspannungsmechanismus (17) zur Entspannung des Zyklusgases und mindestens ein Wiedererwärmungsorgan (13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5) zur Wiedererwärmung des entspannten Zyklusgases, wobei der Verdichtungsmechanismus mehrere Verdichtungsstufen (15) in Reihe umfasst, die aus einer Anordnung aus einem oder mehreren Verdichtern (15) mit einem oder mehreren Rädern vom Zentrifugaltyp bestehen, wobei die Verdichtungsstufen (15) auf Wellen (19, 190) gelagert sind, die von einer Anordnung aus einem oder mehreren Motoren (18) drehangetrieben werden, wobei der Entspannungsmechanismus mindestens eine Entspannungsstufe umfasst, die aus einer Anordnung aus einer oder mehrerer Turbinen (17) vom Zentripetaltyp mit einem bestimmten Arbeitsdruck im Einlass besteht, und wobei die Turbine (17) beziehungsweise mindestens eine der Turbinen (17) mit derselben Welle (19) wie mindestens eine Verdichtungsstufe (15) gekoppelt ist, so dass der Verdichtungsstufe (15) mechanische Arbeit bereitgestellt wird, die bei der Entspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Turbine (17) und die entsprechende Verdichtungsstufe, die gekoppelt sind, strukturell so ausgelegt sind, dass der Druck des Zyklusgases, das aus der Turbine (17) austritt, um nicht mehr als 40 % und bevorzugt um nicht mehr als 30 % oder nicht mehr als 20 % von dem Druck des Zyklusgases im Einlass der Verdichtungsstufe (15) abweicht, und dadurch, dass die mindestens eine Turbine (17) und die entsprechende Verdichtungsstufe, die gekoppelt sind, strukturell so ausgelegt sind, dass der Druck des Zyklusgases, das in die Turbine (17) eintritt, um nicht mehr als 40 % und bevorzugt um nicht mehr als 30 % oder nicht mehr als 20 % von dem Druck des Zyklusgases im Auslass der Verdichtungsstufe (15) abweicht, und dadurch, dass die Entspannungsrate an den Anschlüssen der mindestens einen Turbine (17), die mit einer Verdichtungsstufe gekoppelt ist, dazu ausgelegt ist, eine Druckabsenkung des Zyklusgases zu realisieren, deren Wert um nicht mehr als 40 % von dem Wert der Druckerhöhung an den Anschlüssen der Verdichtungsstufe (15), mit der sie gekoppelt ist, abweicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannungsmechanismus mindestens zwei Entspannungsstufen in Reihe umfasst, die aus einer Anordnung aus Turbinen (17) vom Zentripetaltyp in Reihe bestehen, und dadurch, dass, je nach Zirkulationsrichtung des Zyklusgases, mindestens zwei Turbinen (17) in Reihe jeweils mit Verdichtungsstufen (15) gekoppelt sind, die in umgekehrter Reihenfolge zu ihrer Anordnung in Reihe genommen werden, d. h., dass mindestens eine Turbine (17) mit einer Verdichtungsstufe (15) gekoppelt ist, die stromauf einer Verdichtungsstufe (15) gelegen ist, die mit einer anderen Turbine (17) gekoppelt ist, die ihr in dem Zykluskreislauf (14) vorausgeht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsmechanismus nur Verdichter (15) vom Zentrifugaltyp umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entspannungsmechanismus nur Turbinen vom Zentripetaltyp umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie n Turbinen und k Verdichter aufweist, wobei n und k derartige ganze Zahlen sind, dass k größer oder gleich n ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung der mindestens einen Turbine (17) und der Verdichtungsstufe oder -stufen (15) mit einer selben Welle (19) dazu ausgelegt ist, eine gleiche oder im Wesentlichen gleiche Drehzahl der Turbine (17) und der gekoppelten Verdichtungsstufen (15) zu gewährleisten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie sechzehn Verdichtungsstufen (15) und acht Turbinen (17) oder zwölf Verdichtungsstufen (15) und sechs Turbinen (17) oder acht Verdichtungsstufen (15) und vier Turbinen (17) oder sechs Verdichtungsstufen (15) und drei Turbinen (17) oder vier Verdichtungsstufen (15) und drei Turbinen (17) oder drei Verdichtungsstufen und zwei oder drei Turbinen oder zwei Verdichtungsstufen und eine oder zwei Turbinen umfasst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einem oder mehreren Wärmetauschern mindestens einen Wärmetauscher (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) umfasst, in dem zwei verschiedene Abschnitte des Zykluskreislaufs (14) mit verschiedenen thermodynamischen Bedingungen gleichzeitig im Gegenstrom zur Kühlung beziehungsweise zur Wiedererwärmung des Zyklusgases zirkulieren.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zweites Kühlsystem umfasst, das in thermischem Austausch mit mindestens einem Teil der Anordnung aus einem oder mehreren Wärmetauschern (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) steht, wobei das zweite Kühlsystem (21) einen Kreislauf (25) eines Wärmeträgerfluids wie flüssiger Stickstoff oder ein Kältemittelgemisch umfasst.

10. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff mit kryogener Temperatur, insbesondere von verflüssigtem Wasserstoff, unter Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck des Zyklusgases im Einlass des Verdichtungsmechanismus (15) zur Verdichtung des Zyklusgases zwischen zwei und vierzig bar abs beträgt und insbesondere zwischen acht und fünfunddreißig bar abs beträgt.

Claims

1. Device for refrigerating and/or liquefying a fluid such as hydrogen and/or helium, comprising a circuit (3) for fluid to be cooled having an upstream end intended to be connected to a source (2) of fluid and a downstream end (23) intended to be connected to a member (4) for collecting the fluid, the device (1) comprising a set of heat exchanger(s) (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) in heat exchange with the circuit (3) for fluid to be cooled, the device (1) comprising at least a first cooling system (20) in heat exchange with at least part of the set of heat exchanger(s) (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), the first cooling system (20) being a refrigerator that performs a refrigeration cycle on a cycle gas, said refrigerator (20) comprising the following, disposed in series in a cycle circuit (14): a mechanism (15) for compressing the cycle gas, at least one member (16, 5, 6, 8, 10, 12) for cooling the cycle gas, a mechanism (17) for expanding the cycle gas and at least one member (13, 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5) for heating the expanded cycle gas, wherein the compression mechanism comprises a plurality of compression stages (15) in series that are composed of a set of centrifugal impeller compressor(s) (15), the compression stages (15) being mounted on shafts (19, 190) that are driven in rotation by a set of motor (s) (18), the expansion mechanism comprising at least one expansion stage composed of a set of centripetal turbine (s) (17) having a determined working pressure at the inlet, and wherein the turbine (17), or respectively at least one of the turbines (17), is coupled to the same shaft (19) as at least one compression stage (15) so as to provide the mechanical work produced during the expansion to the compression stage (15), characterized in that the at least one turbine (17) and the corresponding compression stage that are coupled are structurally configured such that the pressure of the cycle gas exiting the turbine (17) differs by no more than 40% and preferably by no more than 30% or by no more than 20% from the pressure of the cycle gas at the inlet of the compression stage (15), and in that the at least one turbine (17) and the corresponding compression stage that are coupled are structurally configured such that the pressure of the cycle gas entering the turbine (17) differs by no more than 40% and preferably by no more than 30% or by no more than 20% from the pressure of the cycle gas at the outlet of the compression stage (15), and in that the expansion rate across the at least one turbine (17) coupled to a compression stage is configured to produce a drop in pressure of the cycle gas, the value of which differs by no more than 40% from the value of the increase in pressure across the compression stage (15) to which said turbine is coupled.

2. Device according to Claim 1, characterized in that the expansion mechanism comprises at least two expansion stages in series that are composed of a set of centripetal turbines (17) in series, and in that, in the direction of circulation of the cycle gas, at least two turbines (17) in series are coupled respectively to compression stages (15) considered in the reverse order of their disposition in series, that is to say that at least one turbine (17) is coupled to a compression stage (15) situated upstream of a compression stage (15) coupled to another turbine (17) which precedes it in the cycle circuit (14).

3. Device according to either one of Claims 1 and 2, characterized in that the compression mechanism comprises solely centrifugal compressors (15).

4. Device according to any one of Claims 1 to 3, characterized in that the expansion mechanism comprises solely centripetal turbines.

5. Device according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that it comprises n turbines and k compressors, n and k being integers such that k is greater than or equal to n.

6. Device according to any one of Claims 1 to 5, characterized in that the mechanical coupling of the at least one turbine (17) and of the compression stage or stages (15) to one and the same shaft (19) is configured to ensure an identical or substantially identical rotational speed of the turbine (17) and of the compression stages (15) that are coupled.

7. Device according to any one of Claims 1 to 6, characterized in that it comprises sixteen compression stages (15) and eight turbines (17), or twelve compression stages (15) and six turbines (17), or eight compression stages (15) and four turbines (17), or six compression stages (15) and three turbines (17), or four compression stages (15) and three turbines (17), or three compression stages and two or three turbines, or two compression stages and one or two turbines.

8. Device according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the set of heat exchanger(s) comprises at least one heat exchanger (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) in which two separate portions of the cycle circuit (14) under separate thermodynamic conditions perform circulation simultaneously in countercurrent operation for the cooling and the heating of the cycle gas, respectively.

9. Device according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that it comprises a second cooling system in heat exchange with at least part of the set of heat exchanger(s) (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), said second cooling system (21) comprising a circuit (25) for heat transfer fluid such as liquid nitrogen or a mixture of refrigerants.

10. Process for producing hydrogen at cryogenic temperature, notably liquefied hydrogen, using a device (1) according to any one of the preceding claims, wherein the pressure of the cycle gas at the inlet of the mechanism (15) for compressing the cycle gas lies between two and forty bar abs and notably lies between eight and thirty five bar abs.

Dessins