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EP3698049A1 - Dispositif et procédé de compression - Google Patents

Dispositif et procédé de compression

Info

Publication number
EP3698049A1
EP3698049A1 EP18765487.6A EP18765487A EP3698049A1 EP 3698049 A1 EP3698049 A1 EP 3698049A1 EP 18765487 A EP18765487 A EP 18765487A EP 3698049 A1 EP3698049 A1 EP 3698049A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
compressor
cooling
compressors
compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP18765487.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3698049B1 (fr
Inventor
Fabien Durand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP3698049A1 publication Critical patent/EP3698049A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3698049B1 publication Critical patent/EP3698049B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D25/0606—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the electric motor being specially adapted for integration in the pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B31/00—Compressor arrangements
    • F25B31/006—Cooling of compressor or motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/20—Disposition of valves, e.g. of on-off valves or flow control valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40—Fluid line arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/024—Units comprising pumps and their driving means the driving means being assisted by a power recovery turbine
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/584—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps cooling or heating the machine

Definitions

  • the invention relates to a device and a method of compression and a refrigeration machine.
  • the invention relates more particularly to a device for centrifugally compressing a working gas, in particular for a refrigerating machine, comprising a plurality of centrifugal compressors forming several successive compression stages and / or in parallel and several compressor drive motors, the device comprising a gas circuit comprising a first gas inlet pipe to be compressed connected to an inlet of a first compressor for conveying gas to be compressed in the first compressor, the circuit comprising a second pipe connected to an outlet of said first compressor for discharging the compressed gas into the latter, the second pipe being connected to an inlet of a second compressor for conveying the compressed gas into the first compressor in the second compressor to achieve a second compression, the circuit comprising at least a third pipe having an end connected to the at least one of the compressors and at least one second end connected to an inlet of at least one motor for transferring a fraction of the compressed gas into the at least one compressor in the at least one motor in order to limit heating of the latest.
  • a centrifugal compressor using a direct drive between the (electric) motor and the compression wheel (s) requires a gas flow to evacuate the heat generated in the engine. This heat is generated mainly by the losses of the motor and by the friction of the rotor with the gas which surrounds it.
  • This cooling rate is usually injected from one side of the motor (at an inlet) and discharged from the other side (at an outlet) with a higher temperature. It can also be injected in the middle of the engine and evacuated on both sides of it.
  • a greater or lesser part of the heat is also usually discharged not a coolant flowing in a circuit surrounding the part stator of the engine (water or air or other heat transfer fluid for cooling the stator).
  • the gas circulating in the engine to cool it usually has the same composition as the compressed gas.
  • the driving force required to circulate the gas through the engine (s) is generated by one or more compression stages (ie by one or more compressors) .
  • US6,64,469 describes the use of a portion of the gas leaving the first compression stage to cool the engine. This gas is then returned to the compressor inlet.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the third cooling duct comprises a first gas cooling member and two branches. parallel supply respectively two separate motors of the device for their respective cooling.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the third cooling duct comprises a set of valves for regulating the flow of gas allowed to flow in the two parallel branches
  • valve assembly comprises two regulating valves located respectively in the two branches, the valve assembly comprises a three-way control valve located at the junction of the two branches or a single valve located on the third pipe, upstream of the two branches,
  • the first gas cooling member comprises a heat exchanger cooled by a heat transfer fluid
  • the circuit comprises fourth conduits connecting an output of the first motor and an output of the second motor to the inlet of the first compressor to recycle the gas used to limit heating of the motors to the first compressor in order to compress it,
  • the circuit comprises at least a second gas cooling member disposed on the path of the fourth ducts for extracting heat from the engines before returning to the first compressor,
  • the device comprises one or more rotating joints between the motor (s) and the compressor (s) or one or more stages of expansion so that the pressure in the cavities of the motor (s) is close to the lowest pressure of the compressor , ie the compressor inlet pressure,
  • the device comprises at least one motor driving one or more compressors and at least one motor coupled to one or more expansion turbines,
  • the invention also relates to a low temperature refrigeration machine of -100 ° C to -273 ° C comprising a working circuit containing a working fluid, the working circuit comprising a centrifugal compression device and a cooling device and expansion of the compressed gas in the compression device, characterized in that the compression device is in accordance with any of the above characteristics or hereinafter.
  • the invention also relates to a process for the centrifugal compression of a working gas, in particular for a refrigeration machine using a plurality of centrifugal compressors forming successive and / or parallel stages of compression and several compressor drive motors. compressors being rotated directly by the motors, the method comprising:
  • a step of sampling a fraction of the compressed gas leaving at least one of the compressors and of circulating this gas taken from at least one engine with a view to its cooling the method comprising a step of cooling the gas taken from the outlet of the at least one compressor and a step of distributing and circulating in parallel this gas withdrawn and cooled in two separate engines for their respective cooling.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • FIGS. 1 and 2 show schematic and partial views respectively illustrating two examples of structure and operation of a compression device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of a cooling machine comprising such a compression device.
  • the compression device 18 shown diagrammatically in FIG. 1 comprises two centrifugal compressors 1, 3 (that is to say two compressor wheels) forming two successive compression stages.
  • the two compressors 1, 3 are each driven by a motor 5, 6 respective drive (preferably electric).
  • the compressors 1, 3 are driven in rotation directly by their motor 5, 6 corresponding.
  • the device 18 comprises a gas circuit comprising a first gas inlet pipe 13 to be compressed connected to the inlet of a first compressor 1, for conveying gas to be compressed in the first compressor 1.
  • the circuit comprises a second pipe 14 having an upstream end connected to an outlet of said first compressor 1 for evacuating the compressed gas in this last.
  • the second pipe 14 has a downstream end connected to an inlet of the second compressor 3, for conveying the gas that has been compressed into the first compressor 1 in the second compressor 3 in order to perform a second compression (a second compression stage).
  • the circuit comprises a third cooling pipe 15 having an upstream end connected to the outlet of the first compressor 1 (for example via the second pipe 14) and two second downstream ends respectively connected to the inlets of the two motors 5, 6. that is, for example, the third conduit 15 has a common portion with the second conduit 14.
  • the third conduit 15 forms a bypass of the second conduit 14 between the first 1 and second 3 compressors
  • This third conduit may therefore be a bypass of the second conduit 14 (and / or a separate conduit).
  • the third pipe 15 takes a fraction of the compressed gas for supplying the second compressor 3 to scan (cool) the two motors 5, 6. This fraction can correspond to one and forty percent of the flow rate of gas leaving the first compressor 1.
  • the flow of gas in each of the two branches respectively supplying the motors 5, 6 may be regulated by a set of valves 7, 8 (or any other suitable member including a pressure-reducing member such as an orifice, a capillary ).
  • valves 7, 8 respectively located in the two parallel branches provide these distributions of compressed cooling gas to the motors 5, 6.
  • the third single line can be split. That is to say, two distinct pipe portions 15 are respectively connected to the two parallel branches and the two valves 7, 8 or equivalent. Similarly it is possible to consider a single control valve located in the common portion of the two branches (in the pipe portion between the second pipe 14 and the two parallel branches connected to the motors 5, 6).
  • the compressed gas leaving the first compressor 1 is preferably cooled, for example by a first member 2 for cooling the gas such as a heat exchanger in heat exchange with a heat transfer fluid.
  • the cooling of the gas intended to supply the motors for their cooling may be provided on the third pipe 15 (between the second pipe 4 and the two parallel branches) and / or downstream (on the parallel branches.)
  • This cooling element (2 or other) can be sized to cool the gas to a lower temperature, for example 0 ° C (for example via a cold group) to improve the cooling of the engine (s).
  • the gas is cooled before being distributed to the two branches of the third pipe.
  • this cooling can be achieved via an exchanger 2 (or other) at the outlet of the compressor 1 as illustrated in the figure and / or downstream in the branch 15 and / or in the branches via a heat exchanger or other tower providing a even limited cooling of the gas.
  • the circuit carries a parallel supply of the two motors 5, 6. After circulation in the engines 5, 6, this gas is then returned to the inlet of the first compressor 1 via third pipes 11, 12.
  • the third conduits 11, 12 may also be used if necessary to recover the gas from possible leaks (for example, seals located near the engines, such as rotating joints for example).
  • the mechanical power necessary to compress a flow rate of 1.26 kg / s of nitrogen gas initially at a pressure of 5 bar absolute and a temperature of 288 K at a pressure of 18.34 bar absolute is approximately 200 kW (100 kW per motor).
  • nitrogen is compressed up to 8.87 bar absolute in the first centrifugal compression stage (first compressor 1) having a power of 95 kW and a typical isentropic efficiency of 86%.
  • first compressor 1 having a power of 95 kW and a typical isentropic efficiency of 86%.
  • the compressed gas is then cooled in the exchanger 2. As described above, part of the gas is withdrawn via the valves 7 and 8 to cool the motors 5 and 6.
  • the main flow (flow) is then compressed again up to a pressure of 18.34 bar absolute in the second centrifugal compression stage 3.
  • This second compressor 3 has for example a power of 95 kW and a typical isentropic efficiency of 86 %.
  • the gas is cooled in an outlet heat exchanger 4 before being sent to the outlet 20 of the compression device 18.
  • On the 100kW of work / power of the motors 5, 6, typically 5% will be transformed into heat (losses of the electric motor and losses by friction of the rotor with the nitrogen) or about 5kW by motor 5, 6.
  • a portion of the nitrogen flow at the outlet of the first cooling exchanger 2 is thus sent through a first valve 7 and a first branch 9 to the first engine 5 for cooling.
  • the rise in the temperature of the gas through the engine 5 will typically be limited to 30 K (to limit the warming of the engine 5) by controlling the valve 7.
  • the nitrogen at 318 K (288K + 30K elevation) will be mixed with the nitrogen coming from the inlet 13 of the compressor 1. This can raising the temperature of the nitrogen at the inlet of the first compression stage 1 to 294.5 K and can cause an increase in the energy consumption of this compression stage 1 by an increase in the volume flow rate.
  • a second cooling member 17 may optionally be provided in the circuit for cooling the gas leaving the engines 5, 6 before it returns to the first compressor 1.
  • the cooling gas leaving the engine (s) 5, 6 can be cooled through, for example, a heat exchanger 17 before rejoining the main circuit of the compressor 1.
  • the efficiency of the device is improved by lowering the temperature of the cooling gas before returning it to the inlet of the compressor 1.
  • This cooling gas coming from the motors 5, 6 via the third ducts 11, 12 is cooled preferably to a temperature close to or equal to the temperature of the gas at the inlet 13 of the compressor 1.
  • the mechanical power necessary to compress a flow rate of 1.26 kg / s of nitrogen gas having an initial pressure of 5 bar absolute and a temperature of 288 K to a pressure of 18.34 bar absolute is about 198 kW (98kW for the first engine 5 and 100kW for the second engine 6).
  • the nitrogen is compressed up to 8.87 bar absolute in the first centrifugal compression stage 1 having for example a power of 93 kW and a typical isentropic efficiency of 86%. Then the gas is cooled in the exchanger 2. Part of the gas is withdrawn via the valves 7, 8 to cool the engines 5, 6.
  • the main flow is then compressed to 18.34 bar absolute in the second centrifugal compression stage 3.
  • This second compression stage has for example a power of 95 kW and a typical isentropic efficiency of 86%.
  • the gas is cooled in the second heat exchanger 4 before being sent to the outlet 20 of the compression device (here output of the second compressor 3).
  • Part of the nitrogen flow at the outlet of the first cooling exchanger 2 will be sent through the first valve 7 and the branch 9 to the engine 5 for cooling.
  • the rise in the temperature of the gas through the engine 5 will typically be limited to 30 K (to limit heating of the engine 5) by controlling the valve 7.
  • the nitrogen at 288 K will be mixed with the nitrogen from the inlet 13 of the compressor 1. This will not have any consequence on the temperature of the nitrogen at the entrance of the first floor 1 (unlike the previous device). The overall yield is improved.
  • the cooled gas used for cooling the motors 5, 6 can be taken at the outlet of a second compression stage and / or subsequent compression stage.
  • stages of relaxation can be coupled to at least one of the engines.
  • one or more expansion stages can be mounted on the same motor shaft as one or more compressors.
  • At least one bypass valve can be mounted on the cooling circuit so as to limit the flow rate through one or more motors.
  • the flow of cooling gas to a motor 5, 6 can be adjusted by one or more members 7, 8 expansion.
  • This or these members may advantageously be adjustable so as to slave for example the temperature of one or more engines and / or the cooling rate and / or the temperature of the cooling gas.
  • these detent members 7, 8 may optionally cool the gas before entering the engine (s).
  • valves 7, 8 may be replaced or associated with one or more turbines and / or tubes Ranque (Vortex tube). Similarly these bodies 7, 8 may be located on the pipe 15 between the second pipe 14 and the two parallel branches.
  • rotating joints can be used between the motor (s) 5, 6 and the compression stage (s) 1, 3 or the expansion stage (s) the pressure in the engine cavities is close to the lowest pressure of the compressor, ie the inlet pressure 13 of the compressor. This has the effect of lowering the friction losses between the rotor or rotors and the gas because these losses are proportional to the pressure in the motor cavity.
  • the compression device 18 can be part of a low temperature refrigeration machine, for example between -100 ° C. and -273 ° C., and comprising a working circuit 10 containing a fluid of work, the work circuit comprising a device 18 for centrifugal compression and a device 19 for cooling and expansion of the compressed gas in the device 18 for compression.
  • the working gas may comprise all or part of: nitrogen, helium, hydrogen, neon, argon, carbon monoxide, methane, krypton, xenon, iron ethane, carbon dioxide, propane, butane, oxygen.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Thermal Sciences (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Dispositif et procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail comprenant plusieurs compresseurs (1, 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1, 3), le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite (13) d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur (1), le circuit comprenant une seconde conduite (14) reliée à une sortie dudit premier compresseur (1), la seconde conduite (14) étant reliée à une entrée d'un second compresseur (3), le circuit comprenant au moins une troisième conduite (15) de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs (1, 3) et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur (5, 6) pour son refroidissement, la troisième conduite (15) de refroidissement comprenant un premier organe (2) de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs (5, 6) distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs.

Description

Dispositif et procédé de compression
L'invention concerne un dispositif et un procédé de compression ainsi qu'une machine de réfrigération.
L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur, le circuit comprenant une seconde conduite reliée à une sortie dudit premier compresseur pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite étant reliée à une entrée d'un second compresseur pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur dans le second compresseur en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant au moins une troisième conduite de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur pour transférer une fraction du gaz comprimé dans le au moins un compresseur dans le au moins un moteur en vue de limiter échauffement de ce dernier.
Un compresseur centrifuge utilisant un entraînement direct entre le moteur (électrique) et la ou les roues de compression (c'est-à-dire sans multiplicateur de vitesse) nécessite un débit de gaz afin d'évacuer la chaleur générée dans le moteur. Cette chaleur est générée principalement par les pertes du moteur et par le frottement du rotor avec le gaz qui l'entoure.
Ce débit de refroidissement est habituellement injecté d'un côté du moteur (au niveau d'une entrée) et évacué de l'autre côté (au niveau d'une sortie) avec une température plus élevée. Il peut aussi être injecté au milieu du moteur et être évacué des deux côtés de celui-ci.
Une part plus ou moins importante de la chaleur est aussi habituellement évacuée pas un fluide caloporteur circulant dans un circuit entourant la partie statorique du moteur (eau ou air ou tout autre fluide caloporteur permettant de refroidir le stator).
Dans le but de ne pas perdre ou de ne pas polluer le gaz comprimé, le gaz circulant dans le moteur pour le refroidir a habituellement la même composition que le gaz comprimé.
Dans le but de limiter le nombre d'équipement, la force motrice nécessaire pour faire circuler le gaz au travers du ou des moteurs est générée par un ou plusieurs étages de compression (c'est-à-dire par un ou plusieurs des compresseurs).
II existe plusieurs exemples connus utilisant cette technique de refroidissement.
Le document US6,64,469 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.
Le document US5,980,218 décrit l'utilisation d'une partie du gaz sortant de l'échangeur de refroidissement situé en aval du premier étage de compression pour refroidir le moteur. Ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du compresseur.
Le document US8,899,945 décrit une architecture à plusieurs moteurs Ces solutions sont cependant peu adaptées à une architecture à plusieurs moteurs et/ou les performances sont insatisfaisantes.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la troisième conduite de refroidissement comprend un premier organe de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la troisième conduite de refroidissement comporte un ensemble de vannes de régulation du débit de gaz admis à circuler dans les deux branches parallèles,
- l'ensemble de vannes comprend deux vannes de régulation situées respectivement dans les deux branches, - l'ensemble de vannes comprend une vanne de régulation à trois voies située à la jonction des deux branches ou une unique vanne située sur la troisième conduite, en amont des deux branches,
- le premier organe de refroidissement du gaz comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur,
- le circuit comprend des quatrièmes conduites reliant une sortie du premier moteur et une sortie du second moteur à l'entrée du premier compresseur pour recycler le gaz ayant servi à limiter échauffement des moteurs vers le premier compresseur en vue de sa compression,
- le circuit comprend au moins un second organe de refroidissement du gaz disposé sur le trajet des quatrièmes conduites pour extraire de la chaleur au gaz provenant des moteurs avant son retour dans le premier compresseur,
- les compresseurs sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs correspondants,
- le dispositif comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs et le ou les compresseurs ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée du compresseur,
- le dispositif comporte au moins un moteur entraînant un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à un une ou plusieurs turbines de détente,
L'invention concerne également une machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif de compression centrifuge et un dispositif de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif de compression, caractérisé en ce que le dispositif de compression est conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci- après.
L'invention concerne également un procédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs d'entraînement des compresseurs, les compresseurs étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs, le procédé comprenant :
- une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur puis dans un second compresseur disposés en série,
- une étape de prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise circulation de ce gaz prélevé dans au moins un moteur en vue de son refroidissement, le procédé comportant une étape de refroidissement du gaz prélevé à la sortie du au moins un compresseur et une étape de distribution et de mise en circulation en parallèle de ce gaz prélevé et refroidi dans deux moteurs distincts en vue de leurs refroidissements respectifs.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- les figures 1 et 2 représentent des vues schématiques et partielles illustrant respectivement deux exemples de structure et de fonctionnement d'un dispositif de compression selon l'invention,
- la figure 3 représente une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d'une machine de refroidissement comprenant un tel dispositif de compression.
Le dispositif 18 de compression représenté schématiquement à la figure 1 comprend deux compresseurs 1 , 3 centrifuges (c'est-à-dire deux roues de compresseur) formant deux étages de compression successifs.
Les deux compresseurs 1 , 3 sont entraînés chacun par un moteur 5, 6 d'entraînement respectif (de préférence électrique).
De préférence les compresseurs 1 , 3 sont entraînés en rotation de façon directe par leur moteur 5, 6 correspondants.
Le dispositif 18 comprend un circuit de gaz comprenant une première conduite 13 d'entrée de gaz à comprimer reliée l'entrée d'un premier compresseur 1 , pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur 1.
Le circuit comprend une seconde conduite 14 ayant une extrémité amont reliée à une sortie dudit premier compresseur 1 pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier. La seconde conduite 14 possède une extrémité aval reliée à une entrée du second compresseur 3, pour acheminer le gaz qui a été comprimé dans le premier compresseur 1 dans le second compresseur 3 en vue de réaliser une seconde compression (un deuxième étage de compression).
Le circuit comprend une troisième conduite 15 de refroidissement ayant une extrémité amont raccordée à la sortie du premier compresseur 1 (par exemple via la seconde conduite 14) et deux secondes extrémités aval raccordées respectivement aux entrées des deux moteur 5, 6. C'est-à-dire que par exemple, la troisième conduite 15 a une portion commune avec la seconde conduite 14.
C'est-à-dire que la troisième conduite 15 forme une dérivation de la seconde conduite 14 entre les premier 1 et second 3 compresseurs
Cette troisième conduite peut donc être une dérivation de la seconde conduite 14 (et/ou une conduite distincte).
C'est-à-dire que la troisième conduite 15 vient prélever une fraction du gaz comprimé destiné à alimenter le second compresseur 3 pour balayer (refroidir) les deux moteurs 5, 6. Cette fraction peut correspondre à un et quarante pourcent du débit de gaz sortant du premier compresseur 1.
Le débit de gaz dans chacune des deux branches alimentant respectivement les moteurs 5, 6 peut être régulé par un ensemble de vannes 7, 8 (ou tout autre organe approprié notamment un organe déprimogène tel qu'un orifice, un capillaire...). Dans l'exemple représenté, deux vannes 7, 8 situées respectivement dans les deux branches parallèles assurent ces répartitions de gaz comprimé de refroidissement vers les moteurs 5, 6.
En variante la troisième conduite 15 simple peut être dédoublée. C'est-à-dire que deux portions de conduite 15 distinctes sont raccordées respectivement aux deux branches parallèles et aux deux vannes 7, 8 ou équivalent. De même il est possible d'envisager une unique vanne de régulation située dans la portion commune aux deux branches (dans la portion de conduite entre la seconde conduite 14 et les deux branches parallèles reliées aux moteurs 5, 6).
De plus, le gaz comprimé sortant du premier compresseur 1 est de préférence refroidi, par exemple par un premier organe 2 de refroidissement du gaz tel qu'un échangeur de chaleur en échange thermique avec un fluide caloporteur. Le refroidissement du gaz destiné à alimenter les moteurs pour leur refroidissement peut être prévu sur la troisième conduite 15 (entre la seconde conduite 4 et les deux branches parallèles) et/ou en aval (sur les branches parallèles. Cet organe de refroidissement (2 ou autre) peut être dimensionné pour refroidir le gaz à une température plus basse, par exemple 0°C (par exemple via un groupe froid) pour améliorer le refroidissement du ou des moteurs.
Ainsi, le gaz est refroidi avant d'être distribué aux deux branches de la troisième conduite.
Ainsi, ce refroidissement peut être réalisé via un échangeur 2 (ou autre) à la sortie du compresseur 1 comme illustré à la figure et/ou en aval dans la dérivation 15 et/ou dans les branches via un échangeur ou tour autre organe assurant un refroidissement même limité du gaz.
C'est-à-dire que le circuit réalise une alimentation en parallèle des deux moteurs 5, 6. Après circulation dans les moteurs 5, 6, ce gaz est ensuite renvoyé vers l'entrée du premier compresseur 1 via des troisièmes conduites 11 , 12.
Les troisièmes conduites 11 , 12 peuvent être utilisées également le cas échéant pour récupérer le gaz provenant d'éventuelles fuites (au niveau par exemple de joints situés à proximité des moteurs, tels que des joints tournants par exemple).
Dans un exemple possible non limitatif, la puissance mécanique nécessaire pour comprimer un débit de 1 ,26 kg/s d'azote gazeux initialement à une pression de 5 bars absolu et une température de 288 K à pression de 18,34 bars absolu est d'environ 200 kW (100kW par moteur).
Par exemple, de l'azote est comprimé jusqu'à 8,87 bar absolu dans le premier étage de compression centrifuge (premier compresseur 1 ) ayant une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Le gaz comprimé est ensuite refroidi dans l'échangeur 2. Comme décrit ci-dessus, une partie du gaz est soutiré via les vannes 7 et 8 pour refroidir les moteurs 5 et 6.
Le débit (flux) principal est ensuite comprimé à nouveau jusqu'à une pression de 18,34 bar absolu dans le deuxième étage de compression centrifuge 3. Ce deuxième compresseur 3 a par exemple une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans un échangeur 4 de chaleur de sortie avant d'être envoyé à la sortie 20 du dispositif 18 de compression. Sur les 100kW de travail/puissance des moteurs 5, 6, typiquement 5% seront transformés en chaleur (pertes du moteur électrique et pertes par frottement du rotor avec l'azote) soit environ 5kW par moteur 5, 6.
Une partie du débit d'azote à la sortie du premier échangeur 2 de refroidissement est donc envoyée au travers d'une première vanne 7 et d'une première branche 9 vers le premier 5 moteur en vue de son refroidissement.
L'élévation de la température du gaz au travers du moteur 5 va typiquement être limitée à 30 K (pour limiter réchauffement du moteur 5) en pilotant la vanne 7.
Ceci peut se traduire par un débit massique = Puissance/Cp/deltaT = 5000/1048/30=0.159 kg/s.
Avec Cp= capacité thermique du gaz (azote dans cet exemple) en J/kg/K.... delta T = la variation de température du gaz entre les conduites 9 et 11 en K.
Puissance= les pertes du moteur à évacuer par le gaz en W. Le gaz qui a circulé dans le moteur 5 va ensuite sortir du moteur 5 via la troisième conduite 11 et rejoindre l'entrée du premier compresseur 1.
Le même processus est réalisé en parallèle pour le second moteur 6 (via la vanne 8 et les conduites 10, 12).
En sortant des deux moteurs 5, 6 via les troisièmes conduites respectives 11 , 12, l'azote à 318 K (288K+30K d'élévation) va être mélangé avec l'azote provenant de l'entrée 13 du compresseur 1. Ceci peut élever la température de l'azote à l'entrée du premier étage de compression 1 jusqu'à 294.5 K et peut provoquer une augmentation de la consommation d'énergie de cet étage de compression 1 par une augmentation du débit volumique.
Même s'il y a augmentation de la consommation énergétique, cette architecture permet au global une efficacité améliorée par rapport aux solutions connues. En effet, les températures des deux moteurs sont maîtrisées au prix d'un rendement acceptable.
Si besoin, et comme illustré schématiquement à la figure 2, un second organe 17 de refroidissement peut éventuellement être prévu dans le circuit pour refroidir le gaz sortant des moteurs 5, 6 avant son retour dans le premier compresseur 1.
C'est-à-dire que le gaz de refroidissement sortant du ou des moteurs 5, 6 peut être refroidi au travers par exemple d'un échangeur 17 de chaleur avant de rejoindre le circuit principal du compresseur 1. L'efficacité du dispositif est améliorée en abaissant la température du gaz de refroidissement avant de le renvoyer à l'entrée du compresseur 1.
Ce gaz de refroidissement provenant des moteurs 5, 6 via les troisièmes conduites 11 , 12 est refroidi de préférence jusqu'à une température proche ou égale à la température du gaz à l'entrée 13 du compresseur 1.
Dans l'exemple de la figure 6, la puissance mécanique nécessaire pour comprimer un débit de 1 ,26 kg/s d'azote gazeux ayant une pression initiale de 5 bars absolu et une température de 288 K jusqu'à une 18,34 bars absolu est de 198 kW environ (98kW pour le premier moteur 5 et 100kW pour le second moteur 6).
Il y a ainsi une diminution de 1 % de la puissance consommée par rapport au dispositif précédent.
L'azote est comprimé jusqu'à 8,87 bar absolu dans le premier étage de compression centrifuge 1 ayant par exemple une puissance de 93 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans l'échangeur 2. Une partie du gaz est soutiré via les vannes 7, 8 pour refroidir les moteurs 5, 6.
Le débit principal est quant à lui ensuite comprimé jusqu'à 18,34 bar absolu dans le deuxième étage de compression centrifuge 3. Ce second étage de compression a par exemple une puissance de 95 kW et un rendement isentropique typique de 86%. Puis le gaz est refroidi dans le second échangeur 4 de chaleur avant d'être envoyé à la sortie 20 du dispositif de compression (ici sortie du second compresseur 3). Sur les 98kW et 100kW de puissances fournies respectivement par les moteurs 5, 6, typiquement 5% sera transformée en chaleur (pertes du moteur électrique, pertes par frottement du rotor avec l'azote...) soit environ 5kW par moteur 5, 6.
Une partie du débit d'azote à la sortie du premier échangeur 2 de refroidissement va être envoyé au travers de la première vanne 7 et de la branche 9 vers le moteur 5 pour son refroidissement. L'élévation de la température du gaz au travers du moteur 5 va typiquement être limitée à 30 K (pour limiter échauffement du moteur 5) en pilotant la vanne 7.
Comme précédemment, ceci va se traduire par un débit de débit massique égale à Puissance/Cp/deltaT = 5000/1048/30=0.159 kg/s. L'azote va ensuite s'échapper du moteur 5 via la troisième conduite 11 et rejoindre l'échangeur de chaleur 17 avant de retourner à l'entrée du premier compresseur 1.
Le même processus est réalisé pour l'autre moteur 6 (gaz de refroidissement via la vanne 8, les conduites 10 et 12 et l'échangeur 17).
En sortant de l'échangeur de chaleur 17, l'azote à 288 K va être mélangé avec l'azote provenant de l'entrée 13 du compresseur 1. Ceci ne va pas avoir de conséquence sur la température de l'azote à l'entrée du premier étage 1 (contrairement au dispositif précédent). Le rendement global est amélioré.
Bien entendu l'invention n'est pas limitée à ces exemples de réalisation.
Par exemple, le gaz refroidi utilisé pour le refroidissement des moteurs 5, 6 peut être prélevé à la sortie d'un second 3 étage de compression et/ou étage ultérieur de compression.
De plus, plusieurs étages de compression pourraient être entraînés par un même moteur. De même un ou plusieurs étages de détente (turbine(s)) peuvent être accouplées à au moins un des moteurs.
En outre, en plus du ou des étages de compression 1 , 2, un ou des étages de détente (turbine(s) de préférence centripète(s)) peuvent être montées sur le même arbre moteur qu'un ou plusieurs compresseurs.
De plus, au moins une vanne de bypass peut être montée sur le circuit de refroidissement de manière à limiter le débit traversant un ou des moteurs.
Le débit de gaz refroidissement vers un moteur 5, 6 peut être ajusté par un ou des organes 7, 8 de détente. Ce ou ces organes peuvent avantageusement être réglables de manière à asservir par exemple la température d'un ou des moteurs et/ou le débit de refroidissement et/ou la température du gaz de refroidissement.
De plus ces organes de détente 7, 8 peuvent le cas échéant refroidir le gaz avant son entrée dans le ou les moteurs.
Ainsi, les vannes 7, 8 peuvent être remplacées ou associées à une ou des turbines et/ou des tubes de Ranque (tube Vortex). De même ces organes 7, 8 peuvent être situés sur la conduite 15 entre la seconde conduite 14 et les deux branches parallèles.
De plus, des joints tournants peuvent être utilisés entre le ou les moteurs 5, 6 et le ou les étages de compression 1 , 3 ou le ou les étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du moteur soit proche de la pression la plus basse du compresseur, c'est à dire la pression d'entrée 13 du compresseur. Ceci a pour conséquence d'abaisser les pertes par friction entre le ou les rotors et le gaz car ces pertes sont proportionnelles à la pression dans la cavité du moteur.
Comme schématisé à la figure 3, le dispositif 18 de compression peut faire partie d'une machine de réfrigération à basse température, par exemple comprise entre -100°C et -273°C, et comprenant un circuit de travail 10 contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif 18 de compression centrifuge et un dispositif 19 de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif 18 de compression.
Le gaz de travail peut comprendre tout ou partie parmi : de l'azote, de l'hélium, de l'hydrogène, du néon, de l'argon, du monoxyde de carbone, du méthane, du krypton, du xénon, de l'éthane, du dioxyde de carbone, du propane, du butane, de l'oxygène.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération, comprenant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), le dispositif comprenant un circuit de gaz comprenant une première conduite (13) d'entrée de gaz à comprimer reliée à une entrée d'un premier compresseur (1 ) pour acheminer du gaz à comprimer dans le premier compresseur (1 ), le circuit comprenant une seconde conduite (14) reliée à une sortie dudit premier compresseur (1 ) pour évacuer le gaz comprimé dans ce dernier, la seconde conduite (14) étant reliée à une entrée d'un second compresseur (3) pour acheminer le gaz comprimé dans le premier compresseur (1) dans le second compresseur (3) en vue de réaliser une seconde compression, le circuit comprenant au moins une troisième conduite
(15) de refroidissement ayant une extrémité raccordée à la sortie d'au moins un des compresseurs (1 , 3) et au moins une seconde extrémité raccordée à une entrée d'au moins un moteur (5, 6) pour transférer une fraction du gaz comprimé dans le au moins un compresseur (1 , 3) dans le au moins un moteur (5, 6) en vue de limiter réchauffement de ce dernier, la troisième conduite (15) de refroidissement comprenant un premier organe (2) de refroidissement du gaz et deux branches parallèles alimentant respectivement deux moteurs (5, 6) distincts du dispositif en vue de leurs refroidissements respectifs caractérisé en ce que le circuit comprend des quatrièmes conduites (11 , 12) reliant une sortie du premier moteur (5) et une sortie du second moteur (6) à l'entrée du premier compresseur (1) pour recycler le gaz ayant servi à limiter échauffement des moteurs vers le premier compresseur (1 ) en vue de sa compression.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la troisième conduite (15) de refroidissement comporte un ensemble de vannes (7, 8) de régulation du débit de gaz admis à circuler dans les deux branches parallèles.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend deux vannes de régulation situées respectivement dans les deux branches.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'ensemble de vannes (7, 8) comprend une vanne de régulation à trois voies située à la jonction des deux branches ou une unique vanne située sur la troisième conduite (15), en amont des deux branches.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier organe (2) de refroidissement du gaz comprend un échangeur de chaleur refroidi par un fluide caloporteur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le circuit comprend au moins un second organe (17) de refroidissement du gaz disposé sur le trajet des quatrièmes conduites (11 , 12) pour extraire de la chaleur au gaz provenant des moteurs (5, 6) avant son retour dans le premier compresseur (1 ).
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les compresseurs (1 , 3) sont entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6) correspondants.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un ou des joints tournants entre le ou les moteurs (5, 6) et le ou les compresseurs (1 , 3) ou un ou des étages de détente de manière à ce que la pression dans les cavités du ou des moteurs soit proche de la pression la plus basse du compresseur (1 ), c'est à dire la pression d'entrée (13) du compresseur (1 ).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un moteur entraînant un ou plusieurs compresseurs et au moins un moteur accouplé à un une ou plusieurs turbines de détente.
10. Machine de réfrigération à basse température comprise entre -100°C et -273°C comprenant un circuit de travail (10) contenant un fluide de travail, le circuit de travail comprenant un dispositif (18) de compression centrifuge et un dispositif (19) de refroidissement et de détente du gaz comprimé dans le dispositif (18) de compression, caractérisé en ce que le dispositif (18) de compression est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9.
11 rocédé de compression centrifuge d'un gaz de travail, notamment pour machine de réfrigération utilisant plusieurs compresseurs (1 , 3) centrifuges formant plusieurs étages de compression successifs et/ou en parallèle et plusieurs moteurs (5, 6) d'entraînement des compresseurs (1 , 3), les compresseurs (1 , 3) étant entraînés en rotation de façon directe par les moteurs (5, 6), le procédé comprenant :
- une étape de compression d'un gaz de travail dans un premier compresseur (1 ) puis dans un second compresseur (3) disposés en série,
- une étape de prélèvement d'une fraction du gaz compressé sortant d'au moins un des compresseurs et de mise circulation de ce gaz prélevé dans au moins un moteur (5, 6) en vue de son refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de refroidissement du gaz prélevé à la sortie du au moins un compresseur (1) et une étape de distribution et de mise en circulation en parallèle de ce gaz prélevé et refroidi dans deux moteurs (5, 6) distincts en vue de leurs refroidissements respectifs.
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