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P. 1 Introduction à la cryogénie Patricia Duchesne IPNO – Division Accélérateur

P. 1 Introduction à la cryogénie Patricia Duchesne IPNO – Division Accélérateurs Institut de Physique Nucléaire d’Orsay Ecole des Accélérateurs – BENODET ‐ 2016 Présentation préparée avec Patxi Duthil (IPNO) P. 2 SOMMAIRE DEFINITION PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE Etats de la matière Diagramme de phase Relation chaleur – température Principaux cryofluides REFROIDISSEMENT DES GAZ Histoire de la liquéfaction d’un gaz Machine de réfrigération Réfrigération, Liquéfaction La détente d’un gaz Exemple d’installation APPLICATIONS DE LA CRYOGENIE P. 3 DEFINITION DEFINITION Cryogénie : (Kruos (grec) = Froid, Genesis (grec) = Engendrer, produire) Cette discipline s’intéresse à l’étude des très basses températures : comment les produire, les maintenir et les utiliser. La limite supérieure est fixée à 120K : En dessous de cette température, le méthane (constituant du gaz naturel) et la plupart des gaz atmosphériques passent en phase liquide. Rappel : T [Kelvin] = T [°C] + 273.15 ) 150 ( 120 ) 273 ( 0 C K es cryogéniqu es Températur C K       T° ambiante 20°C ‐20°C ‐50°C ‐150°C Froid domestique Froid industriel Cryogénie ‐273°C Sources de froid : Fluides cryogéniques (cryofluides) ou machines (cryogénérateurs) Fluides cryogéniques T° Ebullition [K] à 1atm Méthane 111.6 Oxygène 90.2 Argon 87.3 Azote 77.3 Hydrogène 20.4 Helium 4.2 P. 4 PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE LIQUIDE GAZ SOLIDE sublimation condensation Trois états de la matière Comportement d’un fluide cryogénique ? Rappel de thermodynamique … P. 5 PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE Exemple phénoménologique : casserole remplie de glace et que l’on chauffe Apport de chaleur Q Fusion du solide Vaporisation du liquide Si l’on change la pression, on trouve d’autres valeurs de température (cf. Diagramme des phases p4) : 9 3 0 H(km) Teb = 100°C Teb = 90°C Teb = 70°C Pext diminue avec l’altitude : Contenant sous pression : ↗ la pression jusqu’ à 1.8bar (soupape) ↗ Teb à 115°C P ↗ Relation chaleur‐température (cf. p5) PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE 105J 333J 419J 2256J 92J P. 6 DIAGRAMME DE PHASE Diagramme de phase P, T Solide Liquide Gaz P Point triple 1 2 T Point Critique Courbe de sublimation Courbe de vaporisation Courbe de fusion Tc Tt Pt Pc P = 1 atm Tébullition Etat supercritique • Point critique (pc, Tc) au delà duquel il n’y a plus de différence entre le liquide et le gaz : état supercritique monophasique • Tension de vapeur : pression du gaz en équilibre avec le liquide ou le solide En diminuant la pression sur le bain par pompage du gaz, la température du bain diminue. • Différentes phases d’un corps pur en fonction des variables : pression et température • Point triple (pt, Tt) : coexistence des trois phases en équilibre (sol/liq/gaz) • 3 courbes d’équilibre correspondant à un changement d’état : Solide‐gaz : courbe de sublimation Solide‐liquide : courbe de fusion Liquide‐gaz : courbe de vaporisation B T A p    ) log( A et B constantes spécifiques du corps Cette tension de vapeur suit une loi du type : Exemple de la casserole remplie de glace et que l’on chauffe : PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE Diagramme typique d’équilibre des phases Remarque : L’hélium n’a pas de point triple solide‐liquide‐vapeur mais une phase liquide supplémentaire dit Superfluide (conductivité thermique quasi infinie, viscosité qusi nulle) P. 7 RELATION CHALEUR ‐ TEMPERATURE Chaleur sensible Chaleur latente T est proportionnelle à Q : T c m Q p   . . Q : Apport de chaleur (J) m : masse (kg) cp : chaleur spécifique (J.kg‐1.K‐1) T : écart de température (K) v L m Q .  Q : Apport de chaleur (J) m : masse de liquide transformé (kg) Lv : chaleur latente de vaporisation (J.kg‐1) T=constante Quantité de chaleur échangée lors d’une transition de phase sans changement de T° PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE Quantité de chaleur échangée sans transition de phase mais avec un changement de T° Q T T+T T Q Refroidir avec un fluide cryogénique : Utilisation d’un liquide saturé comme réfrigérant d’objets à maintenir à basse température (composants supraconducteurs, expérience de physique …) : • Utilisation de la chaleur latente de vaporisation • Utilisation possible de la chaleur sensible des vapeurs froides Liquéfaction d’un gaz Utilisation d’un gaz amené à basse température qui se réchauffe au contact de l’objet à refroidir (température variable) : • Utilisation de la chaleur sensible seule Réfrigération d’un gaz P. 8 PRINCIPAUX CRYOFLUIDES Danger (forte réactivité) Rare Rare Danger (inflammable) Beaucoup utilisé Beaucoup utilisé PROPRIETES PHYSIQUES D’UN CRYOFLUIDE Plage d’existence de la phase liquide Tcritique Tpoint_triple Pas de fluide à l’état liquide He naturel = mélange 2 isotopes He 3 & He 4 (+utilisé) P. 9 HISTOIRE DE LA LIQUEFACTION DES GAZ REFROIDISSEMENT DES GAZ Premières tentatives de liquéfaction de gaz (XVIIIème et XIXème s.) :  1852 : Joule et Thomson (Lord Kelvin) montrent que la détente d’un gaz à travers une vanne provoque un refroidissement brusque (détente Joule‐Thomson). 1863 : Thomas ANDREWS montre qu’il existe une température dite critique au dessus de laquelle il est impossible de liquéfier un gaz même en augmentant la pression de façon infinie. Il est donc nécessaire de combiner la détente d’un gaz et un refroidissement préalable de ce gaz (en dessous de sa température critique) pour le liquéfier. Transformation isotherme (échange de chaleur avec le milieu ambiant à T° constante) Vapeur Liquide Par compression : Van Marum (1792) Ammoniac liquéfié à 15°C à P = 7.3bars Par refroidissement : Monge (1784) Dioxyde de soufre à ‐8°C 10 1 0.1 0.01 bar 150 200 250 300 350 K Liquide Gaz Solide P. 10 • Le gaz est comprimé (1) La détente provoque une diminution de la pression et donc une diminution importante de la température, produisant ainsi du liquide. 1 2 3 4 compression Échangeur (refroidissement) détente liquide Schéma de principe : Détente d’un gaz combiné par son refroidissement préalable 1877 : Cailletet et Pictet réussissent à liquéfier l’oxygène, première liquéfaction d’un gaz dit permanent. • Le gaz est refroidi dans un échangeur (2) • Le gaz subit une détente (3) HISTOIRE DE LA LIQUEFACTION DES GAZ REFROIDISSEMENT DES GAZ P. 11 T [K] T [°C] 20 0 ‐50 ‐100 ‐150 ‐200 ‐250 ‐273 293 273 223 173 123 90 73 23 0 1780‐1800 1830‐1845 1877 Monge (FR) SO2 Van Marum (NL) NH3 Thilorier (FR) C02 Faraday (GB) C2H2 Cailletet (FR) et Pictet (CH) 02 Dewar (GB) H2 Kamerlingh Onnes (NL) He Fin XIXème siècle, la cryogénie est née avec la liquéfaction de l’oxygène 1908 Découverte de la supraconductivité Théorie de la relativité générale (Einstein) 1912 HISTOIRE DE LA LIQUEFACTION DES GAZ REFROIDISSEMENT DES GAZ P. 12 Machine thermique idéale : cycle de Carnot MOTEUR THERMIQUE Travail W<0 Source chaude QC>0, TC Source froide (environnement) QF<0, TF Rendement théorique maximal des systèmes de conversion de la chaleur en travail : rendement de Carnot 1 1     C F C T T Q W  Efficacité du cycle de Carnot (machine idéale) : MACHINE DE REFRIGERATION Travail W>0 Source chaude (environnement) QC<0, TC Source froide QF>0, TF Rendement théorique maximal des systèmes de production du froid : Rendement de Carnot ou COP (Coefficient de performance) fournie Energie utile Energie   F C F F T T T W Q COP    REFROIDISSEMENT DES GAZ MACHINE DE REFRIGERATION P. 13 Performance d’une machine thermique utile Energie fournie Energie COP  1 MOTEUR MACHINE DE REFRIGERATION TF = 300K (ambiant) TC 400K (127°C) 1000K (727°C)  25% 70% TC = 300K (ambiant) TF 80K 4K COP 36% 1.3% 1/COP 2.3 75 On utilise plutôt la puissance spécifique de réfrigération : Il faut fournir 75W pour extraire 1W à 4K En pratique, les performances d’une machine de réfrigération sont bien inférieures à la machine idéale Le rendement est essentiellement lié à la taille de la machine indépendamment de la température. Nécessité de limiter les transferts de chaleur vers la source froide. REFROIDISSEMENT DES GAZ MACHINE DE REFRIGERATION P. 14 REFRIGERATION ‐ LIQUEFACTION W=0 Q=0 Vanne J.T. Echangeur Compresseur Liquéfaction et soutirage de liquide W>0 Q<0 ou Turbine Q>0 W<0 ML Echangeur MBP < MHP Cycle de liquéfaction REFROIDISSEMENT DES GAZ W=0 Q=0 Vanne J.T. Echangeur Compresseur Réfrigération W>0 Q<0 ou Turbine Q>0 W<0 Echangeur Echangeur MBP = MHP Cycle de réfrigération • Extraction de l’énergie du système à niveau constant • Utilisation d’un fluide en cycle fermé Compression Echange Détente • Extraction de l’énergie à un gaz pour le liquéfier • Une petite partie du débit HP se tranforme en liquide, l’autre partie est utilisée à la réfrigération • Un débit d’appoint compense le débit de liquide produit P. 15 LA DETENTE D’UN GAZ Détente Joule‐Thomson Détente par extraction d’énergie La détente de Joule Thomson est une brusque chute de pression lors du passage du fluide à travers un orifice. Détente à travers une vanne Turbines de détente Détente à travers une turbine Haute pression Basse pression Le gaz se détend en fournissant du travail à la uploads/Sante/ introduction-cryogenie-2016 1 .pdf