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République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث الع

République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعليم العالي والبحث العلمي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique جامعة الجياللي بونعامة خميس مليانة Université Djilali BOUNAAMA de Khemis Miliana Faculté des Sciences et de la Technologie Département de Technologie Module : cryogénie Spécialité : énergétiques , Niveau : MASTER 2 Présenteé par : -Hafsaoui Fatima zohra Chapitre I : généralité sur la cryogénie I.1 Introduction et historique : La cryogénie, science et technologie des températures inférieures à 120 K (-153 oc), a entamé son deuxième siècle d'existence. Elle est le résultat d'une conjonction historique du progrès scientifique (déploiement progressif de la thermodynamique au cours du XIXe siècle, de la théorie macroscopique de l'énergie de J. Joule et S. Carnot, à la mécanique statistique des particules microscopiques de L Boltzmann et J.W. Gibbs) et du progrès technologique (poursuite de la liquéfaction des gaz atmosphériques jusque l’est considérés comme « non condensables », faisant appel à l'ingéniosité des ingénieurs et des physiciens pour étudier les propriétés des substances chimiques pures et de leurs mélanges, les appareils de compression, l'écoulement et les transferts de chaleur des fluides, et les techniques d'isolation thermique). La première liquéfaction de l'air [L. Cailletet et R. Pictet, 1877] et la première séparation de l'oxygène et de l’azote [K. Olszewski et S. Wroblewski, 1883] furent rapidement suivies par la liquéfaction de l'hydrogène, rendue possible par l'invention d'un réservoir isolé sous vide avec écran de rayonnement [J. Dewar, 1898]. ce bref historique n'a pour but que de montrer comment la cryogénie, du début et tout au long du XXe siècle, a été associée aux progrès de la science et de la technologie. Ceci est vrai aujourd'hui encore, grâce à des caractéristiques uniques, présentées ci après [1] ]1[ Philippe Lebrun, 2003, La cryogénie clé de la science et de la technologie avancées, Bulletin de l’institut international du froid, volume IXXXIII I.2 Domaine de la cryogénie : La cryogénie est produire, maintenir, utiliser les basses Température. Le domaine de température est comme suit (figure I.2) : 0K (-273°C) < température cryogénique< 120K (-150°C) [2] ]2[ C.Day, 2001 , Fusion Eng.Design 58 – 59 301 figure I.1 Domaines des températures cryogéniques I.2.1.Domaines de recherche : Mesures à très basse (température matériau,, physique du solide) Développement instrumentation SQUID Accélérateurs et physique des particules (Aimants, cavités, détecteurs) Fusion nucléaire contrôlée Confinement magnétique Astrophysique Capteurs d’observation à terre et spatial… I.2.2. Domaines industriels [ 9] : Electronique :(détecteur, composants …) Electrotechnique : (stockage, transport, alternateurs, limiteur,…) Transport Liquéfaction et réfrigération :( Stockage des fluides) Isolation Spatial : Propulseur (carburant et moteur) Médical :(IRM, Cryochirurgie, cryoconservation ]9[Perinić, G. Vandoni, T. Niinikoski, 1981, Introduction to Cryogenic Engineering, 5. 9.12.2005G. CERN, ISO 3525/1-3, Vacuum Technology: Vocabulary International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland. I.3.Un fluide cryogénique (cryogène ou cryo fluide) est un fluide classique dont les caractéristiques sont les suivantes : Variations brutales de la plupart des propriétés physiques. Conditions d’équilibre entre les différentes phases. I.2 Diagramme des phases Il se présente sous forme de deux phases liquide et gaz (en général, bien séparés sous l’effet de la pesanteur) et où les deux phases coexistent sans évoluer en quantité (il y a à tout moment autant de molécules de gaz qui se condensent que de molécules de liquide qui s’évaporent) . Un apport de chaleur au liquide en équilibre avec sa vapeur provoque son ébullition sans augmenter sa température (les vapeurs générées doivent être évacuées pour ne pas modifier la pression). Le liquide s’épuise par évaporation. Si un apport ponctuel de chaleur est réalisé sans laisser les vapeurs s’échapper, la pression et la température augmentent en suivant la courbe d’équilibre de phase. Ceci peut aussi être réalisé en comprimant mécaniquement le gaz au dessus du liquide. Si l’on refroidit le bain (extraction de chaleur sur un volume fermé par un échangeur "froid"), on observera une condensation du gaz vers le bain et donc pour un système fermé une diminution de la pression. De même, si l’on diminue par pompage du gaz la pression sur le bain, on provoque son ébullition en même temps qu’une diminution de sa température. Toutes ces variations de température et de pression suivent la courbe d’équilibre gaz- liquide jusqu’aux limites que sont d’un côté le point critique (pressurisation du bain) et de l’autre le point triple (pompage du bain) ] 9[ I.4Principaux cryofluides : Figure I.3. Principaux cryofluides et leur utilisation]9[. Figure I.4 Applications des basses températures I.5 . Liquéfaction des gaz]4[. La liquéfaction est un changement d'état qui fait passer un corps de l'état gazeux à l'état liquide. Elle est la transformation inverse de la vaporisation. Bien qu'incorrect selon la terminologie de la thermodynamique, le terme condensation (liquide) est couramment utilisé à la place. Elle peut se produire par compression ou refroidissement d'un gaz. La première industrialisation du procédé est due à Carl von Linde. La liquéfaction des gaz a lieu : pour réduire leur volume et donc mieux les stocker et les transporter ; pour les utiliser dans les différents domaines de la cryogénie. I.6 Conclusion : La liquéfaction des gaz a ouvert plusieurs portes vers de nouvelles technologies aaves ses cycles cryogénique . Chapitre II : les cycles cryogénique II.1 Introduction : On parle de cryogénie pour désigner les procédés de réfrigération à très basse température (typiquement inférieure à 125 K), et les distinguer des cycles de réfrigération ordinaires. Bon nombre de ces procédés concernent la liquéfaction des gaz dits permanents, comme l'air, le gaz naturel, l'hydrogène ou l'hélium. La cryogénie est donc le domaine de l'ingénierie qui s'intéresse aux systèmes fonctionnant à très basse température, ce qui pose des problèmes particuliers, notamment en termes de fluides et de matériaux. Les cycles de réfrigération et de liquéfaction cryogéniques mettent en jeu des combinaisons de compressions paraisothermes, de refroidissements, de régénérations thermiques et de détentes isenthalpiques ou adiabatiques des fluides. On peut distinguer quatre grandes familles de procédés thermodynamiques cryogéniques :  les procédés à détente isenthalpique de Joule-Thomson  les cycles inverses de Brayton à détente isentropique  les procédés mixtes associant une détente isenthalpique et une détente isentropique (cycle de Claude)  les cascades classiques ou intégrées II.2 Cycle de base de liquéfaction du méthane : our liquéfier du gaz naturel, on comprime à 100 bars du méthane pris à 1 bar et 280 K, puis on le refroidit jusqu'à 210K (on suppose dans cet exemple que l'on dispose d'un cycle de réfrigération permettant de le faire). a compression est supposée isentropique, mais le rapport de compression très élevé nécessite le recours à plusieurs compresseurs (3 dans cet exemple) avec refroidissement intermédiaire à 280 K. Les pressions intermédiaires sont égales à 5 et 25 bars. Le gaz refroidi à 210 K est détendu isenthalpiquement de 100 bars à 1 bar, et ses phases liquide et gazeuse séparées. Comme le montre le schéma de l'installation de la figure ci-dessous, le méthane entre dans la partie supérieure gauche, et les fractions liquide et gazeuse sortent en bas à droite. Figure II.1 Cycle de liquéfaction simple Avec le paramétrage retenu, le synoptique de l'installation est donné ci-dessous. Figure II.2 Synoptique de l'installation le travail de compression nécessaire par kilogramme de méthane aspiré est de 798,5 kJ, et 0,179 kg de méthane liquide sont produits, ce qui correspond à un travail de 4,46 MJ par kilogramme de méthane liquéfié. II.3 Cycle de Linde : Dans un cycle de Linde (voir ci-dessous), on améliore le cycle précédent sur deux points :  on recycle le méthane gazeux après détente isenthalpique  on introduit un échangeur de chaleur entre ce méthane gazeux et le méthane sortant du refroidisseur, afin de refroidir le gaz comprimé non plus à 210 K mais à 191 K. Figure II.3 cycle de Linde Pour ces nouvelles conditions le travail de compression par kilogramme de méthane liquéfié devient égal à 1,91 MJ, soit simplement 43 % du précédent. Figure II.4 Synoptique du cycle de Linde Le calcule de ce cycle demande quelques précautions, compte tenu de la sensibilité de l'équilibre de l'échangeur aux variations de débit imposées par le séparateur. Le gain de performance provient essentiellement de la baisse de la température en entrée de détendeur, qui réduit le titre de sortie et augmente donc le débit de la phase liquide. Par ailleurs, la baisse de la température en entrée du premier compresseur permet de réduire le travail de compression, mais cet effet est moins important que le premier. II.4 tracé dans les diagrammes thermodynamiques : Figure II.5 Diagramme (h.p) methane Cycle de Linde en rouge, et cycle de base en noir, dans le diagramme (h, log(P)) Figure II.6 cycle entropique (T.S) methane II.5 Cycle de Linde pour la liquéfaction de l’azote : Pour liquéfier de l’air, (nous prendrons ici de l’azote pur), on comprime à 200 bars de l’azote pris à 1 bar et 280 K (compression refroidie le portant à 50 °C), puis on le refroidit jusqu’à 280K. L’azote est alors refroidi dans un échangeur avec la partie non liquéfiée, ce qui lui permet d’atteindre une température d’environ -110 °C. Il uploads/Science et Technologie/ mini-projet-cryogenie.pdf