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EP-4158270-B1 - METHOD AND DEVICE FOR CRYOGENIC COOLING

EP4158270B1EP 4158270 B1EP4158270 B1EP 4158270B1EP-4158270-B1

Inventors

  • DELAUTRE, Guillaume
  • JEUNESSE, LOÏC
  • ZICK, GOLO
  • GATES, THOMAS
  • MACHERAS, JAMES TIMOTHY
  • BARJHOUX, Pierre

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210325

Claims (15)

  1. A method for cryogenic cooling of a first fluid (2) by thermal exchange with at least a second fluid (3) in a heat exchanger (1), the first fluid (2) and/or the second fluid (3) being at a temperature comprised between -100°C and -273°C, characterized in that the heat exchanger (1) is of the polymeric micro-tube type, i.e. comprising a plurality of polymeric micro-tubes (4) and having a diameter comprised between and 0.1mm and 1mm, one of the first (2) and second (3) fluids being put into circulation inside said micro-tubes (4) while the other fluid is put into circulation around said micro-tubes (4), and in that the heat exchanger (1) comprises a casing (5) in which the micro-tubes (4) are arranged, the casing (5) comprising a first inlet (6) communicating with a first end of the micro-tubes (4), the casing (5) comprising a first outlet (7) communicating with a second end of the micro-tubes (4), the casing (5) also comprising a second inlet (8) and a second outlet (9) communicating with the volume situated around the micro-tubes (4).
  2. The method according to claim 1, characterized in that the micro-tubes (4) are constituted by at least one of the following materials: polyetheretherketone (PEEK), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyetherimide, polyimides, polyamides, polycarbonates or any other plastic material compatible with use at said low temperatures.
  3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the micro-tubes (4) are constituted by a material comprising a mixture of polyetherimide ("Ultem") and Peek.
  4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the micro-tubes (4) are constituted by a material having a volume mass comprised between 2700kg/m 3 and 900kg/m 3 and notably lower than 1500kg/m 3 .
  5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the micro-tubes (4) have a diameter comprised between 0.1mm and 5mm.
  6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the pressure differential between the pressure of the fluid (2) put into circulation inside the micro-tubes (4) and the pressure of the fluid (3) put into circulation around the micro-tubes (4) is comprised between 1 bar and 100bar and notably comprised between 10 and 50bar.
  7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the micro-tubes (4) are arranged in a bundle according to a longitudinal direction in the casing (5).
  8. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the micro-tubes (4) are wound helically, preferably distributed around a central support mandrel (20).
  9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that at least one of the two longitudinal ends of the micro-tube bundle (4) comprises a layer (13) of rigid material such as a thermoset ensuring the cohesion of the micro-tube bundle, the casing (5) housing at least one elastic member (11, 12) constrained according to the longitudinal direction between an abutment formed in the casing (5) and a longitudinal end of the micro-tube bundle, to ensure the longitudinal maintenance of the micro-tube bundle while allowing a dilation or a contraction relative to the casing (5) according to the longitudinal direction.
  10. The method according to claim 9, characterized in that the elastic member comprises at least one of: a spring (11), a helical spring, one or several washers (12) being elastic, notably of the Belleville type.
  11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the casing (5) comprises an elastic zone (14) according to the longitudinal direction such as a bellows.
  12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it ensures a heat exchange between more than two fluids, i.e. distinct portions of the micro-tubes (4) and/or the volume around the micro-tubes (4) accommodate distinct fluid flows (s) for thermal exchanges in the heat exchanger (1).
  13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the cooling is realized in a cryogenic refrigeration and/or liquefaction process of a fluid, the heat exchanger (1) being situated in a cryogenic refrigeration and/or liquefaction device.
  14. A cryogenic cooling device for at least a first fluid by thermal exchange with at least a second fluid comprising a heat exchanger (1) ensuring a heat exchange between the first fluid and the second fluid, the first and/or the second fluid being at a temperature comprised between -100°C and -273°C, the heat exchanger (1) being characterized in that it is of the polymeric micro-tube type, i.e. comprising a plurality of polymeric micro-tubes (4) and having a diameter comprised between and 0.1mm and 1mm, and in that the heat exchanger (1) comprises a casing (5) in which the micro-tubes (4) are arranged, the casing (5) comprising a first inlet (6) communicating with a first end of the micro-tubes (4), the casing (5) comprising a first outlet (7) communicating with a second end of the micro-tubes (4), the casing (5) also comprising a second inlet (8) and a second outlet (9) communicating with the volume situated around the micro-tubes (4), to ensure a circulation of at least one fluid inside said micro-tubes (4) and a circulation of the other fluid around said micro-tubes.
  15. The cooling device according to claim 14, characterized in that it comprises a working circuit (15) containing a working fluid, the working circuit (15) comprising at least a compressor (16) for the working gas, at least one heat exchanger (1) for cooling the compressed fluid, at least one expansion member (17) for the working fluid, at least one heat exchanger (1) for reheating the expanded working fluid, characterized in that the at least one cooling heat exchanger (1) and/or the at least one reheating heat exchanger (1) is of the polymeric micro-tube type, i.e. comprising a plurality of polymeric micro-tubes (4) and having a diameter comprised between and 0.1mm and 10mm, and comprising inlets (6, 8) and outlets (7, 9) for a first flow of working fluid and another fluid having a temperature distinct from the temperature of the first flow of working fluid, to ensure a thermal exchange between the first flow of working fluid and the other fluid.

Description

L'invention concerne un procédé et un dispositif de refroidissement cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de refroidissement cryogénique d'un premier fluide par échange thermique avec au moins un second fluide dans un échangeur de chaleur, le premier fluide et/ou le second fluide étant à une température comprise entre -100°C et -273°C. De tels procédés et dispositifs conformes aux préambules des revendications 1 et 14 sont connus, par exemple, du document FR 2 891 901A. La structure des échangeurs de chaleur cryogéniques est généralement encombrante, coûteuse et massive. On connait par exemple les échangeurs à plaques où à tubes en aluminium ou métalliques. Ce type d'échangeur est ainsi mal adapté pour certaines applications où la masse ou le volume sont critiques (embarquées dans des engins flottants ou volants par exemple). D'autres technologies moins massives sont connues (par exemple, des échangeurs de type tube-calandre avec des tubes en polymère) mais ne sont pas adaptées à des applications dans des plages de températures cryogéniques (inférieures à moins 100°C par exemple) car ces échangeurs sont fragilisés à ces températures et ne sont pas capables de supporter des différentiels de pression et/ou rencontrent des problèmes d'étanchéité et de performance. 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 l'échangeur de chaleur est du type à micro-tubes polymères c'est-à-dire comprenant une pluralité de micro-tubes en polymère et ayant un diamètre compris entre et 0,1mm et 1cm, l'un des premier et second fluides étant mis en circulation à l'intérieur desdits micro-tubes tandis que l'autre fluide est mis en circulation autour desdits micro-tubes. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : les micro-tubes sont constitués de l'un au moins des matériaux suivants : polyétheréthercétone (PEEK), Polytétrafluoroéthylène (PTFE), Polyétherimide, polyimide(s), polyamide(s), polycarbonate(s) ou tout autre matériau plastique compatibles avec un usage auxdites basses températures,les micro-tubes sont constitués d'un matériau comprenant un mélange de polyétherimide (« Ultem ») et de Peek,les micro-tubes sont constitués d'un matériau ayant une masse volumique comprise entre à 2700kg/m3 et 900kg/m3 et notamment inférieure à 1500kg/m3les micro-tubes ont un diamètre compris entre 0,1mm et 5mm,le différentiel de pression entre la pression du fluide mis en circulation dans les micro-tubes et, la pression du fluide mis en circulation autour des micro-tubes est compris entre 1 bar et 100bar et notamment compris entre 10 et 50bar,l'échangeur de chaleur comprend un boîtier dans lequel sont disposés les micro-tubes, le boîtier comprenant une première entrée communiquant avec une première extrémité des micro-tubes, le boîtier comprenant une première sortie communiquant avec une seconde extrémité des micro-tubes, le boîtier comprenant également une seconde entrée et une seconde sortie communiquant avec le volume situé autour des micro-tubes,les micro-tubes sont disposés en faisceau selon une direction longitudinale dans le boîtier,les faisceaux sont disposés parallèles à la direction longitudinale et sont de préférence rectilignes,les micro-tubes sont enroulés en hélice, de préférence répartis autour d'un mandrin central de support,l'une au moins des deux extrémités longitudinales du faisceau de micro-tubes comprend une couche de matériau rigide tel qu'un thermodurcissable assurant la cohésion du faisceau de micro-tubes, le boîtier abritant au moins un organe élastique contraint selon la direction longitudinale entre une butée formée dans le boîtier et une extrémité longitudinale du faisceau de micro-tubes, pour assurer le maintien longitudinal du faisceau de micro-tubes tout en permettant une dilatation ou une contraction relativement au boîtier selon la direction longitudinale,l'organe élastique comprend au moins l'un parmi : un ressort, un ressort hélicoïdal, une ou plusieurs de rondelles élastiques notamment de type Belleville,le boîtier comprend une zone élastique selon la direction longitudinale telle qu'un soufflet,le procédé assure un échange de chaleur entre plus de deux fluides, c'est-à-dire que des portions distinctes des micro-tubes et/ou du volume autour des micro-tubes accueillent des flux distincts de fluide(s) en vue d'échanges thermiques dans l'échangeur de chaleur,le refroidissement est réalisé dans un processus de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique d'un fluide, l'échangeur de chaleur étant situé dans un dispositif de réfrigération et/ou de liquéfaction cryogénique. L'invention concerne également un dispositif de refroidissement cryogénique d'au moins un p