5 • Cycles
thermodynamiques
224
5.7 Les cycles à détente
D’un côté, les cycles frigorifiques à compression mécanique des vapeurs
sont utilisés dans une gamme de température inférieure à la température
critique des fluides utilisés, d’un autre côté, les cycles frigorifiques à
compression mécanique de gaz sont utilisés dans une gamme de température supérieure à la température critique des fluides utilisés. Les cycles
à détente, qui vont être considérés maintenant, sont utilisés dans une
gamme de température qui encadre la température critique des fluides
utilisés. De fait, les cycles à détente sont utilisés pour la liquéfaction des
gaz dont la température critique est inférieure à la température ambiante
(liquéfaction de l’azote et de l’hélium par exemple). La première caractéristique de ces cycles est d’utiliser la détente Joule-Thomson qui permet
de produire du liquide à partir d’une détente au travers d’une simple
vanne de laminage à condition d’une part d’être en dessous de la température d’inversion et d’autre part que la détente soit suffisante. Un point
essentiel à mentionner est que l’effet produit par cette détente JouleThomson est nul pour un gaz parfait. Pour de tels cycles, au voisinage de
cette détente, l’hypothèse des gaz parfaits ne s’applique donc pas. La
seconde caractéristique de ces cycles est de devoir opérer avec des taux
de compression très élevés (50 voire plus). Dans ces conditions les températures de refoulement pour une compression isentropique seraient
trop élevées si bien que l’on utilise des compresseurs fortement refroidis. La compression, pour le cycle idéal, est alors assimilée à une compression isotherme.
5.7.1 Le cycle de liquéfaction à détente libre
(cycle de Linde)
Le cycle idéal de Linde (Figure 5.37) comprend :
– une compression isotherme du gaz 1-2;
– un refroidissement 2-3 du gaz obtenu par l’échauffement (au travers
d’un échangeur contre-courant) 5-1 du gaz non liquéfié;
– une détente au travers d’une vanne de laminage 3-4 (détente isenthalpique).
Après cette détente, on obtient une fraction y de liquide et une fraction
(1 − y) de gaz. Ce gaz froid est envoyé dans un échangeur contre-courant
et sert à refroidir le gaz comprimé à température ambiante.
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5.7 Les cycles à détente
D’un côté, les cycles frigorifiques à compression mécanique des vapeurs
sont utilisés dans une gamme de température inférieure à la température
critique des fluides utilisés, d’un autre côté, les cycles frigorifiques à
compression mécanique de gaz sont utilisés dans une gamme de température supérieure à la température critique des fluides utilisés. Les cycles
à détente, qui vont être considérés maintenant, sont utilisés dans une
gamme de température qui encadre la température critique des fluides
utilisés. De fait, les cycles à détente sont utilisés pour la liquéfaction des
gaz dont la température critique est inférieure à la température ambiante
(liquéfaction de l’azote et de l’hélium par exemple). La première caractéristique de ces cycles est d’utiliser la détente Joule-Thomson qui permet
de produire du liquide à partir d’une détente au travers d’une simple
vanne de laminage à condition d’une part d’être en dessous de la température d’inversion et d’autre part que la détente soit suffisante. Un point
essentiel à mentionner est que l’effet produit par cette détente JouleThomson est nul pour un gaz parfait. Pour de tels cycles, au voisinage de
cette détente, l’hypothèse des gaz parfaits ne s’applique donc pas. La
seconde caractéristique de ces cycles est de devoir opérer avec des taux
de compression très élevés (50 voire plus). Dans ces conditions les températures de refoulement pour une compression isentropique seraient
trop élevées si bien que l’on utilise des compresseurs fortement refroidis. La compression, pour le cycle idéal, est alors assimilée à une compression isotherme.
5.7.1 Le cycle de liquéfaction à détente libre
(cycle de Linde)
Le cycle idéal de Linde (Figure 5.37) comprend :
– une compression isotherme du gaz 1-2;
– un refroidissement 2-3 du gaz obtenu par l’échauffement (au travers
d’un échangeur contre-courant) 5-1 du gaz non liquéfié;
– une détente au travers d’une vanne de laminage 3-4 (détente isenthalpique).
Après cette détente, on obtient une fraction y de liquide et une fraction
(1 − y) de gaz. Ce gaz froid est envoyé dans un échangeur contre-courant
et sert à refroidir le gaz comprimé à température ambiante.