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وزارة اﻟﺘﻌﻠﯿــﻢ اﻟﻌﺎﻟـﻲ واﻟﺒﺤـﺚ اﻟﻌﻠﻤـﻲ FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIORAT DÉ

وزارة اﻟﺘﻌﻠﯿــﻢ اﻟﻌﺎﻟـﻲ واﻟﺒﺤـﺚ اﻟﻌﻠﻤـﻲ FACULTÉ DES SCIENCES DE L’INGÉNIORAT DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE MASTER INTITULÉ EEeeeee DOMAINE: SCIENCES ET TECHNOLOGIE FILIЀRE : GÉNIE MÉCANIQUE SPÉCIALITÉ : ÉNERGÉTIQUE PRÉSENTÉ PAR : LAOUAR IMED DIRECTEUR DU MÉMOIRE : HAOUAM ABDALLAH (MC-A) U.B.M. ANNABA DEVANT LE JURY PRÉSIDENT: MZAD H. (Pr) U.B.M. ANNABA EXAMINATEUR: MECHIGHEL F. (MC-A) U.B.M. ANNABA EXAMINATEUR: HAOUAM A. (MC-A) U.B.M. ANNABA Année : 2018/2019 OPTIMISATION DES PERFORMANCES ÉNERGÉTIQUES D’UNE INSTALLATION CRYOGÉNIQUE DE LIQUÉFACTION DE L’HÉLIUM BADJI MOKHTAR- ANNABA UNIVERSITY ﻋﻨﺎﺑѧѧѧﺔ-ﺟﺎﻣﻌـــــѧѧѧـﺔ ﺑﺎﺟــــѧѧѧـﻲ ﻣﺨﺘــѧѧѧـﺎر UNIVERSITÉ BADJI MOKHTAR- ANNABA OPTIMISATION DES PERFORMANCES ENERGETIQUES D’UNE INSTALLATION CRYOGENIQUE DE LIQUEFACTION DE L’HELIUM ﺑﺳم ﷲ اﻟرﺣﻣن اﻟرﺣﯾم Au nom d’Allah le Tout Miséricordieux le Très Miséricordieux Dédicaces Je dédie ce mémoire à mes très chers parents, à ma sœur et à mon frère, à ma famille ainsi qu’à tous les enseignants qui m’ont inculqué éducation et savoir tout au long de mon cursus scolaire et universitaire. Remerciements Je tiens à exprimer ma profonde gratitude en remerciant Monsieur HAOUAM Abdallah pour avoir accepté de m’encadrer. Un grand merci pour ses précieux conseils, pour son aide ainsi que pour sa gentillesse et sa grande disponibilité. Je tiens à remercier également le Pr MZAD Hocine Président du jury et le Dr MECHIGHEL Farid membre du jury pour avoir examiné ce travail. Résumé Parmi tous les gaz existants, le plus intrigant et le plus intéressant à étudier est le gaz noble connu sous le nom de « Hélium », lequel possède des propriétés qui le rendent unique. En effet, l’hélium a la température d’ébullition la plus basse et est capable de se transformer en un superfluide, contrairement aux autres gaz. Sa liquéfaction est un procédé ambigu au cours duquel sa température doit être abaissée à 4,2 K, frôlant le zéro absolu. Le travail réalisé dans ce mémoire comprend le calcul des caractéristiques thermodynamiques des différents cycles associés à diverses installations cryogéniques destinées à la liquéfaction de l’hélium. L’optimisation des performances thermiques nous a conduit à dimensionner une installation de liquéfaction de l’hélium fonctionnant suivant un cycle combinant les processus de détente isenthalpique et de détente isentropique avec le refroidissement préalable de l’hélium par l’azote à l’état liquide saturé à 80 K et l’hydrogène liquide à 20 K. Enfin, une simulation des différents cycles thermodynamiques par le logiciel HYSYS V7.1 a confirmé l’exactitude des calculs effectués et une interprétation adéquate des résultats obtenus. ﻣﻠﺧص ﺑﯾن ﻣن ﺟﻣﯾﻊ اﻟﻐﺎزات اﻟﺣﺎﻟﯾﺔ ﻓﺈن ، أﻛﺛر اﻟﻐﺎزات إﺛﺎرة ﻟ ﻠﻔﺿول وإﺛﺎرة ﻟﻼھﺗﻣﺎم ھو اﻟﻐﺎز اﻟﻧﺑﯾل اﻟﻣﻌروف ﺑﺎﺳم " اﻟﮭﯾﻠﯾوم ". ﻟدﯾﮫ ﺧﺻﺎﺋص ﺗﺟﻌﻠﮫ ﻓرﯾدا ﻣن ﻧوﻋﮫ ﻓﻲ . اﻟواﻗﻊ ، اﻟﮭﯾﻠﯾوم ﻟدﯾﮫ أدﻧﻰ درﺟﺔ ﺣرارة ﻏﻠﯾﺎن وﻗﺎدر ﻋﻠﻰ اﻟﺗﺣول إﻟﻰ ﺳﺎﺋل ﻓﺎﺋﻖ ﻋﻠﻰ ، ﻋﻛس اﻟﻐﺎزات اﻷﺧرى . وﻣﻊ ذﻟك ﻓﺈن ، ﺗﺳﯾﯾل اﻟﮭﯾﻠﯾوم ﺗﻌﺗﺑر ﻋﻣﻠﯾﺔ ﺻﻌﺑﺔ ﺣﯾث ﯾﺟب ﺧﻔض درﺟﺔ ﺣرارﺗﮫ إﻟﻰ 4.2 K ﺑﺎﻟﻘرب ﻣن اﻟﺻﻔر اﻟﻣطﻠﻖ . ﯾﺷﻣل اﻟﻌﻣل اﻟﻣﻧﺟز ھذه ﻓﻲ اﻟرﺳﺎﻟﺔ ﺣﺳﺎب اﻟﺧﺻﺎﺋص اﻟدﯾﻧﺎﻣﯾﻛﯾﺔ اﻟﺣرارﯾﺔ ﻟﻠدورات اﻟﻣﺧﺗﻠﻔﺔ اﻟﻣرﺗﺑطﺔ ﺑﺎﻟﺗرﻛﯾﺑﺎت اﻟﻣﺑردة اﻟﻣﺧﺗﻠﻔﺔ . ﻗﺎدﻧﺎ ﺗﺣﺳﯾن اﻷداء اﻟﺣراري إﻟﻰ ﺗﺻﻣﯾم ﻣ ﺣطﺔ ﺗﺳﯾﯾل اﻟﮭﯾﻠﯾوم ﻌﻣلﺗ ﻋﻠﻰ دورة ﺗﺟﻣﻊ ﺑﯾن اﻟﺗﻣدد isenthalpic وﻋﻣﻠﯾﺔ اﻟﺗﻣدد isentropic ﻣﻊ اﻟﺗﺑرﯾد اﻟﺳﺎﺑﻖ ﻟﻠﮭﯾﻠﯾوم ﺑﺎاﻟﻧﯾﺗروﺟﯾن ﻓﻲ اﻟﺣﺎﻟﺔ اﻟﺳﺎﺋﻠﺔ اﻟﻣﺷﺑﻌﺔ ﻋﻧد 80 K واﻟﮭﯾدروﺟﯾن اﻟﺳﺎﺋل ﻋﻧد 20 K . ،أﺧﯾرًا أﻛدت ﻣﺣﺎﻛﺎة اﻟدورات اﻟدﯾﻧﺎﻣﯾﻛﯾﺔ اﻟﺣرارﯾﺔ اﻟﻣﺧﺗﻠﻔﺔ ) ﺑﺎﺳﺘﻌﻤﺎل ﺑرﻧﺎﻣﺞ (HYSYS V7.1 دﻗﺔ اﻟﺣﺳﺎﺑﺎت اﻟﺗﻲ ﺗم إﺟراؤھﺎ وﺗﻔﺳﯾر وافٍ ﻟﻠﻧﺗﺎﺋﺞ اﻟﺗﻲ ﺗم اﻟﺣﺻول ﻋﻠﯾﮭﺎ . Abstract Among all the existing gases, the most intriguing and interesting to study is the noble gas known as the "Helium". It has properties that make it unique. Indeed, helium has the lowest boiling temperature and is able to be transformed into super fluid, unlike other gases. However, the liquefaction of helium is an ambiguous method in which its temperature must be lowered to 4.2 K brushing absolute zero. The work done in this specification comprises calculating the thermodynamic characteristics of the different liquefaction helium cycles associated with various cryogenic installations. Optimization of thermal performance has led us to design a cryogenic plant operating according to a cycle combining the isenthalpic expansion process and the isentropic expansion of the pre-cooling helium with nitrogen in the liquid saturated condition at 80 K and liquid hydrogen at 20 K. Finally, a simulation by HYSYS V7.1, of different thermodynamic cycles confirmed the accuracy of the calculations made and an adequate interpretation of the results obtained. NOMENCLATURE Abréviations utilisées ES : Etranglement simple RP : Refroidissement préalable FR : Fluide réfrigérant EC: Echangeur de chaleur PMB : Point Mort Bas PMH : Point Mort Haut BP : Basse Pression HP : Haute Pression IRM : Imagerie par Résonance Magnétique Symboles utilisés x : Coefficient de liquéfaction ∆HT : Effet isothermique d’étranglement qin : Imperfection de l’échangeur de chaleur qa: Apport de chaleur ∆T: Différence de température Cp : Chaleur spécifique à pression constante Cv : Chaleur spécifique à volume constant q0 totale: Quantité de chaleur enlevée du gaz de travail par le liquide réfrigérant qx supp : Puissance frigorifique supplémentaire nécessaire au refroidissement préalable Go : Quantité du liquide réfrigérant h: Enthalpie massique T : Température S : Entropie Wsupp : Travail supplémentaire r: Constante spécifique des gaz ηk : Rendement du compresseur Wk : Travail du compresseur β: Coefficient correcteur Wtotal : Travail total Wo : Travail spécifique qx : Puissance frigorifique du cycle εréel : Coefficient frigorifique réel εth : Coefficient frigorifique théorique η: Rendement thermodynamique LISTE DES FIGURES Figure I.1 : Diagramme Pression-Température des phases de l’hélium Figure II.1 : Diagramme Pression-Température de l’eau Figure II.2 : Cycle idéal de liquéfaction Figure II.3 : Transformations thermodynamiques inverses de liquéfaction d’un gaz Figure II.4 : Schéma du procédé et cycle de Brayton inverse associé au processus Figure II.5 : Schéma du cycle à étranglement simple de Linde Figure II.6 : Diagramme du cycle à étranglement simple (E.S) de Linde Figure II.7 : Schémas des cycles à étranglement E.S à un seul étage de R.P Figure II.8 : Diagramme du cycle à étranglement avec un étage de R.P Figure II.9 : Schéma du processus combiné avec branchement du détendeur au niveau initial de température Figure II.10 : Schéma du processus combiné avec branchement au niveau intermédiaire de température Figure II.11 : Schéma du processus combiné avec branchement au niveau inférieur de température Figure II.12 : Schéma du cycle combiné associé au processus avec branchement du détendeur au niveau inférieur de température Figure II.13 : Schéma du procédé de liquéfaction en cascade Figure II.14 : Cycle associé au processus de liquéfaction en cascade Figure III.1 : Schéma du processus de liquéfaction à étranglement simple et cycle associé au processus à E.S Figure III.2 : Schéma du processus de liquéfaction et cycle à étranglement simple avec un étage de R.P Figure III.3 : Schéma du processus de liquéfaction et cycle à étranglement avec deux étages de R.P : azote liquide saturé à 80K et azote sous vide à 65K Figure III.4 : Schéma du processus de liquéfaction et cycle à étranglement avec deux étages de R.P : azote liquide saturé à 80K et hydrogène liquide à 20K Figure III.5 : Cycle de liquéfaction de l’hélium en coordonnées T-S : R.P avec azote liquide saturé à 80 K et hydrogène liquide à 20 K (P2 =15atm). Figure III.6 : Cycle de liquéfaction de l’hélium en coordonnées T-S : R.P avec azote liquide saturé à 80 K et hydrogène liquide à 20 K (P2 =20atm). Figure III.7 : Cycle de liquéfaction de l’hélium en coordonnées T-S : R.P avec azote liquide saturé à 80 K et hydrogène liquide à 20 K (P2 =25atm). Figure III.8 : Evolution de la consommation d’énergie spécifique en fonction de la pression de refoulement Figure III.9 : Evolution du rendement thermodynamique et du coefficient de liquéfaction de l’hélium en fonction de la pression de refoulement Figure III.10 : Schéma du processus combiné et du cycle associé au processus de liquéfaction de l’hélium avec un branchement du détendeur à T=20K et un taux de détente Ʈ=25 Figure III.11 : Représentation du cycle combiné en coordonnées T-S à 2 étages R.P avec azote liquide saturé à 80 K et hydrogène liquide à 20 K utilisant la détente adiabatique et de l’étranglement isenthalpique avec (P2= 25atm). Figure IV.1 : Compresseur mono-vis Figure IV.2 : Compresseur double-vis Figure IV.3 : Liaison mécanique dans un compresseur à piston Figure IV.4 : Echangeur à co-courants Figure IV.5 : Echangeur à contre-courants Figure IV.6 : Echangeur à courants croisés Figure IV.7 : Echangeur à tubes et calandre Figure IV.8 : Types d’échangeurs de chaleur à faisceaux tubulaires et calandre Figure IV.9 : Vues diverses d’échangeurs de chaleur à faisceaux tubulaires et calandre Figure IV.10 : Arrangement des tubes au niveau d’un échangeur de chaleur pour les pas carré et triangulaire Figure IV.11 : Variations de température du gaz de travail dans l’échangeur E1 du cycle à E.S avec R.P Figure IV.12 : Arrangement des tubes de l’échangeur tubulaire (pas carré) Figure IV.13 : Echangeur tubulaire E1 du cycle hélium à étranglement simple avec R.P Figure. V. 1 : Représentation des dix premières étapes uploads/Finance/ laouar-imed.pdf