Gaz léger, lourde tâche

INFORMATIONS SUR LE PROJET

Quand l’hélium remplace l'air – compression à l'aide de compresseurs BOGE

Le défi
L'hélium est un gaz très léger. L'air est en effet sept fois plus dense que l'hélium. Le défi le plus important était d'assurer une étanchéité maximale du compresseur.

La solution BOGE
Le modèle BOGE SLF 101-3 utilisé a dû être entièrement modifié. Il a été nécessaire de localiser les sources de fuites les plus infimes et de les étanchéifier.

Le résultat
Grâce à une collaboration étroite entre Vorbuchner et BOGE, il a été possible de créer un système sûr et efficace de compression de l'hélium à partir d'un prototype.

    X

    Vorbuchner GmbH & Co KG de Kirchweidach en Allemagne est spécialiste des techniques de cryogénie. Sa gamme comprend entre autres des systèmes cryogéniques pour les applications touchant à l'hélium, qui comprennent, en plus de la récupération, la liquéfaction de l'hélium. Vorbuchner est l'un des rares fabricants allemands à produire des systèmes de liquéfaction d'hélium. L'hélium liquide génère de très basses températures. Ce réfrigérant est souvent utilisé dans les universités et les centres de recherche, par exemple pour le refroidissement d'aimants supraconducteurs. Pour l'Université de Gießen, Vorbuchner a mis au point un système complet fournissant de l'hélium liquide à une température de 4,5 K (-268,65 °C). Pour ce faire, ce spécialiste de la cryogénie avait besoin d'un compresseur en mesure de comprimer suffisamment l'hélium, et présentant par conséquent une protection maximale contre les fuites. « Le plus grand défi a été d'étanchéifier les composants de cette machine de manière à empêcher toute fuite d'hélium et toute pénétration d'air. Ceci causerait en effet l'entraînement d'impuretés dans l'hélium », explique Wilhelm Vorbuchner, directeur de l'entreprise. C'est au spécialiste de l'air comprimé BOGE que cette tâche complexe a été confiée. L'entreprise de Bielefeld, dont les innovations ont été récompensées à plusieurs reprises, a développé pour ce faire un concept entièrement revisité pour son compresseur à vis SLF 101-3. Cette version spéciale mise au point par le bureau d'études de BOGE associe la qualité à une technologie d'avant-garde et répond à la volonté de l'entreprise de réunir progrès, performances et longévité dans des solutions particulièrement efficaces.

     

    L'hélium gazeux devient liquide

    Ce nouveau système de liquéfaction de l'hélium comprend, en plus du compresseur à vis BOGE SLF 101-3, deux turbines d'expansion et un nettoyeur intégré pour la purification de l'hélium brut ainsi qu'un sécheur de gaz impur, un système de séparation d'huile et un réservoir tampon. Le compresseur atteint le débit requis de 3,69 à 10,69 m³/min et comprime l'hélium d'1,05 à 13 bar. Pendant la compression, de l'huile est injectée pour la lubrification et le refroidissement. BOGE utilise un séparateur d'huile vertical pour nettoyer l'hélium. Enfin, la génération du froid se produit dans la boîte froide. L'hélium est expansé dans deux turbines consécutives. Un échangeur de chaleur refroidit le gaz suivant le principe du contre-courant et le gaz est amené dans un réservoir à hélium à travers une vanne joule thomson. La vanne cause une expansion supplémentaire du gaz froid, qui refroidit davantage jusqu'à devenir liquide. Pour ce faire la boîte froide doit avoir une température de 4,5 K (-268,65 °C). La purification de l'hélium brut se fait au moyen d'un nettoyeur à basse température. La fraction d'air qu'il contient condense et congèle suite aux processus de refroidissement. Le néon et les traces d'hydrogène sont éliminés par un adsorbeur froid. Le résultat : le système de Vorbuchner fournit entre 20 à 33 l d'hélium liquide et pur par heure.

     

    Des exigences spécifiques d'étanchéité

    L'hélium est un gaz très léger. L'air est en effet sept fois plus dense que l'hélium. C'est pourquoi le défi le plus important pour BOGE, spécialiste de l'air comprimé, était d'assurer une étanchéité maximale du compresseur. Le compresseur utilisé ressemble au compresseur à vis SLF 101-3, mais bon nombre de ses composants ont été entièrement modifiés. Ceci a permis d'optimiser l'étanchéité du moteur d'entraînement. Une cloche d'accouplement entoure le moteur. Ainsi, en cas de fuite d'hélium, le gaz stationne dans la cloche et peut être évacué. Le séparateur d'huile vertical permet d'optimiser le processus de séparation de l'huile et de l'hélium. BOGE a par ailleurs étanchéifié les conduites et les échangeurs de chaleur, pour empêcher toute sortie du gaz. « La moindre source de fuite a dû être identifiée pendant la phase de développement », explique Sebastian Krake, chef de projet chez BOGE. « Ces mesures parfois complexes nous ont permis d'obtenir une très grande sécurité du process. » La perte d'hélium est ainsi quasiment exclue, tout comme sa contamination par la pénétration d'air.

     

    Flexible et compact

    Le compresseur à vis à vis SLF 101-3 offre une grande flexibilité d'utilisation. Le convertisseur de fréquence intégré adapte en continu le débit-volume aux besoins réels. Ceci permet d'augmenter considérablement le rendement du système. La forme compacte du compresseur à vis permet un gain de place lors de l'installation. Malgré l'ajout de composants et les modifications apportées, ses dimensions sont les mêmes que celles d'un compresseur à vis courant de cette classe de puissance. Les composants de l'ensemble du système ont été montés et raccordés sur place par le client. Le compresseur à vis est placé dans un local à compresseurs existant du client. Tous les tuyaux et l'échangeur de chaleur sont en inox pour une grande longévité.

     

    Du prototype au système fonctionnel

    « Nous sommes restés en contact étroit avec BOGE pendant toute la durée du développement », explique Wilhelm Vorbuchner. « Cette bonne collaboration nous a permis de réussir la mise en place de notre système. » Ainsi, à partir d'un prototype, nous avons été en mesure de créer un système sûr et efficace de compression d'hélium. Ceci a encouragé Vorbuchner à passer une autre commande à BOGE. L'installation d'un système de ce type, prévoyant lui aussi l'utilisation d'un compresseur à vis BOGE SLF 101-3 transformé, est en effet prévue dans une université polonaise. « Étant donné qu'il existe un grand besoin de systèmes cryogéniques dans le domaine de la recherche, ils risquent d'être très demandés à l'avenir », déclare Wilhelm Vorbuchner. Grâce à son étroite collaboration avec Vorbuchner, BOGE a pu étendre ses compétences en matière de compression d'hélium. Le spécialiste de l'air comprimé prévoit de réaliser d'autres projets de compression d'hélium au moyen de son compresseur à vis. BOGE continue ainsi à étendre sa gamme de produits pour applications spéciales, qui contient déjà des compresseurs d'azote et des générateurs d'azote et d'oxygène.

     

    Plus d’informations sur:

    http://www.vorbuchner.com/

Lire le rapport du projet