Cryogénie

Applications cryogéniques

Définitions, exemples, et plus encore.

L’ingénierie cryogénique se concentre sur les gaz liquides et les applications cryogéniques qui les utilisent. Mais quelles applications cryogéniques reconnaîtrons-nous en 2023 ? Dans quels secteurs l’ingénierie cryogénique joue-t-elle un rôle, et quelles applications peut-on attendre dans un avenir proche ? 

Dans ce blog, nous répondrons en détail aux questions ci-dessus. Nous aborderons brièvement la technologie cryogénique en général, nous examinerons le développement des applications cryogéniques, nous présenterons certaines applications courantes et nous expliquerons comment un gaz liquide atteint son application à partir de sa production.

Qu'est-ce que la technologie cryogénique ?

Avant de nous pencher en détail sur l’application cryogénique, une brève introduction s’impose. Qu’est-ce que la technologie cryogénique et qu’est-ce qui fait qu’un matériau ou une application est « cryogénique » ?

L’ingénierie cryogénique est le domaine qui traite des les températures extrêmement basses et les réactions chimiques qui s’y produisent. L’accent est mis sur la liquéfaction des gaz industriels. Autour d’une température de -160°C, les gaz prennent une forme liquide, et à partir de cette température et en dessous, ils sont dits « cryogéniques ». 

Un grand nombre d’industries utilisent des gaz industriels, qui sont liquéfiés et maintenus à l’état liquide grâce à la technologie cryogénique. Parmi les industries qui dépendent fortement de la cryogénie, on peut citer:

Chacune de ces industries travaille avec des applications spécifiques, qui utilisent différents gaz liquides à différentes températures. Les quatre gaz liquides que l’on rencontre dans de nombreux secteurs sont les suivants : 

  • Azote liquide (dont le point d’ébullition est de – 195,8 °C). L’azote liquide est largement utilisé dans l’industrie automobile, industrie électronique, l’industrie agroalimentaire, le secteur medicaletl’industrie pharmaceutiquepour le refroidissement cryogénique des matériaux. L’azote liquide pouvant être extrait de l’air ambiant, il s’agit d’un gaz relativement respectueux de l’environnement et abordable. Cela en fait un gaz couramment utilisé par de nombreux fabricants. 
  • Hydrogène liquide (dont le point d’ébullition est de -252,9°C). Comme on peut le lire dans notre blog sur l’hydrogène liquide, ce gaz est largement utilisé comme carburant renouvelable et vecteur d’énergie dans le secteur des transports (routiers), entre autres. . 
  • GNLle GNL ou gaz naturel liquéfié (dont le point d’ébullition est de – 162 °C). Le GNL est un carburant courant largement utilisé dans le secteur du transport routier et dans l’industrie maritime.
  • Hélium liquide (dont le point d’ébullition est de – 268,9 °C). L’hélium joue un rôle important dans la recherche scientifique et est également utilisé dans le secteur médical..
Pipes

Les toutes premières applications cryogéniques

La technologie cryogénique est constamment en mouvement. De nouvelles techniques, applications et possibilités d’utilisation la plus efficace des gaz liquides sont sans cesse explorées. Mais où cela a-t-il commencé ? À quoi ressemblaient les premières applications cryogéniques ?

Comme on pouvait s’y attendre, le développement des applications cryogéniques a commencé par des recherches sur la production et le stockage de gaz liquéfié. production et le stockage de gaz liquéfié. C’est ainsi qu’en 1892, peu de temps après la première liquéfaction de divers gaz, James Dewar mit au point son célèbre Dewar. Le Dewar est un récipient de stockage de gaz extrêmement froids qui est encore largement utilisé aujourd’hui.

Quelques décennies plus tard, l’accent a été mis sur la production à grande échelle de gaz industriels. Un bon exemple de développement important dans ce domaine a été la construction de la première usine de séparation de l’air pour l’oxygène en 1902. usine de séparation de l’air pour l’oxygène en 1902. Cette nouvelle technique découverte par Carl von Linde fut considérée comme une avancée majeure dans le domaine de la cryogénie.

Avec l’essor de la production à grande échelle de gaz industriels, des applications cryogéniques ont été développées et déployées dans diverses industries. Pour ne citer que quelques exemples :

  • Autour de 1960l’azote liquide a été utilisé pour la première fois pour la réfrigération des aliments sur une base commerciale dans des systèmes de congélation à grande échelle.
  • En1961l’hydrogène et l’azote liquide furent utilisés dans la fusée américaine fusée américaine Atlas Centaur.
  • plusieurs développements eurent également lieu dans le secteur médical au cours de la même période. Ainsi, en 1946 et 1959lespremiers cryoprotecteurs furent utilisés. dans des systèmes de refroidissement de tissus biologiques. En 1961, la cryochirurgie est pour la première fois réalisée et en 1983, les premières techniques cryogéniques sont utilisées pour l’imagerie par résonance magnétique (IRM).

Les applications ci-dessus ne représentent qu’une petite sélection de toutes les applications cryogéniques qui ont été découvertes et développées au cours du siècle dernier. Certaines sont restées, d’autres ont été remplacées et de nouvelles applications sont ajoutées chaque année.

An Atlas-Centaur rocket on Pad 36A at Cape Kennedy for a fueling test in preparation for the AC-3 launch in June 1964. Source: NASA, Glenn Research Center
Une fusée Atlas-Centaur sur l’aire de lancement 36A de Cap Canaveral pour un essai de ravitaillement en carburant en vue du lancement de l’AC-3 en juin 1964.
Source : NASA, Glenn Research Center

Les applications cryogéniques en 2023

En 2023, la technologie cryogénique devient un élément indispensable de bon nombre d’industries. De nombreux procédés de fabrication dépendent désormais des gaz liquides, et les infrastructures cryogéniques sont de plus en plus performantes et sophistiquées.

Plus loin dans ce blog, nous reviendrons sur certaines découvertes très récentes en matière de cryogénie et sur les applications cryogéniques possibles à l’avenir. Toutefois, nous souhaitons d’abord évoquer brièvement les applications cryogéniques qui sont pleinement établies et largement produites et utilisées en 2023.

Applications cryogéniques dans le secteur médical et l’industrie pharmaceutique

Les deux secteurs interdépendants dans lesquels les applications cryogéniques seront largement utilisées en 2023 sont les suivants médical et pharmaceutiques. La préservation des tissus sous une forme optimale qu’il s’agisse de de médicaments ou de matériel biologique, est au cœur de ces deux industries.

Systèmes de congélation cryogéniques

Le congélateur cryogénique est l’un des systèmes les plus anciens et les plus utilisés. congélation cryogénique dans le secteur médical et pharmaceutique. Dans les congélateurs cryogéniques, l’azote liquide est injecté dans le système, créant des vapeurs froides. Ces vapeurs enveloppent le produit à refroidir et l’amènent à la basse température souhaitée.

De nombreux matériaux, comme certains médicaments, les cellules sanguines, les cellules souches et les ovules, peuvent être congelés à l’aide d’un congélateur (CRF). congélateur cryogénique orinaireou un congélateur dit congélateur à taux de contrôle (CRF).. Toutefois, cela ne s’applique pas à tous les matériaux. Parfois, la préservation de certains composants est si importante que d’autres techniques sont nécessaires. Dans ce cas, lyophilisation – ou lyophilisation– peut apporter la solution.

La lyophilisation est un processus qui consiste à éliminer l’eau d’un matériau après l’avoir congelé et placé sous vide. Ce procédé est utilisé pour la congélation d’aliments et des produits pharmaceutiques et biopharmaceutiques en vracprotéines, collagène, peptide, oligonucléotide, API chimique, enzymes et AcM.

Stockage de matériaux et de liquides cryogéniques

Bien entendu, les industries médical et pharmaceutiques utilisent beaucoup plus d’applications cryogéniques. Par exemple, les petits échantillons biologiques sont stockés dans des CRF et des cuves de stockage, où ils peuvent être conservés pendant une période prolongée tout en conservant une qualité optimale. Ce processus est appelé stockage des échantillons.

Stockage des échantillons. s’effectue dans de petits flacons, qui sont refroidis dans l’azote liquide à environ -135°C. Le froid extrême stoppe pratiquement toute activité biologique et minimise théoriquement la dégradation des échantillons à long terme.

Enfin, dans de nombreuses installations médicales, on trouve également les dewars de stockage cryogénique mentionnés ci-dessus. Dewars de stockage cryogénique et stations de remplissage d’azote. Ces stations sont placées près d’un réservoir à l’intérieur ou à l’extérieur d’un bâtiment et permettent de récupérer rapidement plusieurs litres d’azote liquide pour les utiliser.

Traitement de santé cryogénique grâce au cryosauna

Avant de passer à l’industrie l’industrie agroalimentaire intéressons-nous à une application populaire fortement liée au secteurmedical:: le cryosauna. Un traitement dans ce sauna, également appelé cryothérapie, expose le corps à des températures cryogéniques pendant plusieurs minutes avec, à la clé, un effet bénéfique sur la santé.

En général, un cryosauna est refroidi par de la vapeur d’azote liquide ou par de l’air refroidi par l’électricité. L’application ressemble à une grande cabine, avec un Dewar contenant de l’azote liquide placé à côté (ou à l’intérieur).

Cryogenic sample storage
Stockage cryogénique des échantillons

Applications cryogéniques dans l'industrie agroalimentaire

L’industrie alimentaire est un autre secteur qui dépend fortement des applications cryogéniques. Le refroidissement, dans la meilleure qualité possible, est crucial dans ce secteur et les systèmes de refroidissement cryogéniques se sont avérés être les meilleurs dans ce domaine.

Systèmes de congélation des aliments

L’un des systèmes de congélation les plus utilisés pour la congélation rapide et à grande échelle de denrées alimentaires. Les produits entrent dans ces grands systèmes de congélation à une extrémité et en ressortent complètement congelés à l’autre extrémité.

Le tunnel de congélation présente l’avantage de congeler les aliments si rapidement que leur qualité reste très élevée. Par conséquent, les nutriments et les vitamines contenus dans les aliments sont relativement bien conservés.

Le fonctionnement exact d’un tunnel de congélation dépend du système et du produit à congeler. Toutefois, avant de durcir la surface du produit dans le tunnel, les produits sont souvent aspergés d’azote liquide à – 196 °C (77 K).

Pour une durée de conservation encore plus longue, la lyophilisation est également utilisée pour certains produits alimentaires. Comme pour les matériaux biologiques, les aliments bénéficient également d’une conservation optimale de la structure obtenue grâce à la lyophilisation.

Un lyophilisateur congèle d’abord un produit puis en réduit la pression et enfin y ajoute de la chaleur de sorte que l’eau gelée dans le matériau se transforme immédiatement en vapeur.

Bien entendu, les systèmes de congélation ne se limitent pas à l’industrie agroalimentaire.Parmi les autres applications cryogéniques Voici quelques autres applications cryogéniques utilisées par de nombreux producteurs alimentaires avec de l’azote liquide et, bien sûr,

les fameux Dewars et les stations de remplissage.

Applications cryogéniques dans l'industrie spatiale

Non seulement l’industrie spatiale utilise largement les applications cryogéniques, mais elle serait complètement différente sans la technologie cryogénique. Les gaz cryogéniques sont, par exemple, utilisés comme carburant, et l’hélium liquide sert à refroidir les détecteurs afin qu’ils puissent effectuer des mesures très précises dans l’espace.

Moteurs de fusée cryogéniques

Un moteur de fusée cryogénique utilise un combustible cryogénique et oxydantgénéralement composé de d’oxygène liquide (à -183°C) et d’hydrogène liquide (à -253°C). Cette technologie a été utilisée pour la première fois dans la célèbre fusée américaine Atlas-Centaur et a contribué de manière significative au succès de la NASA à atteindre la lune avec la fusée Saturn V.

La chambre d'essai cryogénique

Les applications cryogéniques sont également indispensables à la préparation des lancements. La chambre d’essai cryogénique est un exemple d’application cryogénique qui prépare les satellites et les fusées au décollage. Dans cette chambre, des températures cryogéniques sont utilisées pour étudier dans quelle mesure toutes les fonctions d’un satellite ou d’un moteur restent actives lors de variations extrêmes de température.

IISRO Propulsion Complex (IPRC), a rocket engine test facility
Le IISRO Propulsion Complex (IPRC), une installation d’essais de moteurs de fusée

Les applications cryogéniques dans le secteur des transports

Le secteur des transports est peut-être l’industrie dans laquelle les gaz liquides sont de plus en plus pris en compte dans le développement de nouvelles applications.

L’hydrogène constitue principalement la base des séveloppement durable d’aujourd’hui dans les transports routiers et maritimes, et de nombreuses voitures, camions et navires fonctionnant à l’hydrogène sont en cours de développement.

Voici quelques exemples d’applications cryogéniques dans le secteur des transports :

  • Voitures particulières avec un moteur qui fonctionne à l’hydrogène liquide. En 2001, BMW lança la Mini Hydrogen, considérée comme l’une des premières voitures roulant à l’hydrogène liquide. Actuellement, de plus en plus de voitures à hydrogène apparaissent sur le marché, utilisant principalement une pile à combustible à hydrogène.
  • Le développement des camions équipés d’une pile à combustible à hydrogène ou de réservoirs d’hydrogène liquide. Le camion Mercedes-Benz GenH2 de Daimler, actuellement en cours de développement, en est un bon exemple.
  • L’utilisation du GNL comme carburant, principalement pour les camionetles navires de charge. Le GNLLe GNL (gaz naturel liquéfié) est désormais largement disponible et est considéré comme un carburant un peu plus durable que le diesel ordinaire.
  • Les stations de remplissage pour le GNL ou l’hydrogène, par exemple.
Hyundai NEXO, a self-driving car with a hydrogen fuel cell
Hyundai NEXO, un véhicule autonome équipé d’une pile à combustible à hydrogène.

Applications cryogéniques dans la recherche scientifique

La recherche scientifique la été l’une des toutes premières industries à expérimenter les techniques cryogéniques, et donc les applications cryogéniques..

En refroidissant des aimants à l’aide de gaz cryogéniques jusqu’à un niveau proche du zéro absolu, il est possible de les rendre supraconducteurs, en fonction du matériau, et donc de générer des forces énormes pour une taille relativement petite. Ces forces énormes font l’objet de recherches approfondies.

Parmi les exemples de projets cryogéniques dans le domaine de la de la recherche scientifique, on peut citer les expériences scientifiques menées avec les accélérateurs de particules, les grands supraconducteurs.. et l’observation de l’effet des températures extrêmes.

L’hélium liquide est l’un des gaz cryogéniques les plus froids et les plus puissant souvent utilisé comme réfrigérant dans les expériences scientifiques.

Des dizaines d'industries

Bien entendu, la liste des industries et des applications ci-dessus est loin d’être exhaustive. Les applications cryogéniques sont également utilisées dans les secteurs suivants : l’industrie électronique,l’industrie automobile, l’industrie chimiqueetl’industrie métallurgique.

Vous souhaitez en savoir plus sur ces industries et sur les applications cryogéniques qui y sont utilisées ? Lisez ici plus d’informations surles onze industries cryogéniques auxquelles Demaco fournit des services et des infrastructures cryogéniques.

The electronics industry uses nitrogen-cooled test chambers for testing computer chips.
L’industrie électronique utilise des chambres d’essai refroidies à l’azote pour tester les puces électroniques.

Le rôle des applications cryogéniques de demain

Les applications cryogéniques ont connu d’énormes changements au cours du siècle dernier et la recherche se poursuit. Quel est l’avenir des applications cryogéniques ? Quel sera le rôle de la cryogénie après 2023 ?

Si l’on considère les projets en cours de développement ainsi que la mission et la vision des principaux acteurs de l’industrie cryogénique, deux thèmes se dégagent pour l’avenir proche : la poursuite du développement technique des applications cryogéniques et l’utilisation des techniques cryogéniques pour rendre diverses industries plus durables.

Voici quelques-unes des nouvelles applications cryogéniques que nous devrions voir de plus en plus souvent à l’avenir :

  • Nouvelles applications cryogéniques dans l’industrie l’industrie médicaletelles que les dispositifs d’IRM ouverts, la magnétoencéphalographie basée sur des détecteurs SQUID pour cartographier la réponse du cerveau aux stimuli, et les les accélérateurs compacts pour la protonthérapiesont utiles dans certains traitements du cancer.
  • La poursuite du développement et la mise à l’échelle du transport routier à l’hydrogène. Propulsion à l’hydrogène voitures particulières seront plus accessibles, le transport de marchandises à l’hydrogène devrait prendre son essor, et des travaux sont en cours sur les moteurs à combustion fonctionnant à l’hydrogène liquide. moteurs à combustion fonctionnant à l’hydrogène liquide.
  • Le développement de moteurs d’avions durables basés sur des techniques cryogéniques. Plusieurs avions sont actuellement en cours de développement avec des moteurs supraconducteurset les prototypes devraient être produits d’ici 2030.

Transport de l’énergie utilisant de l’hydrogène liquide. Alors que nous nous tournons de plus en plus vers les énergies renouvelables dans le monde entier, il devient essentiel de transporter cette énergie à l’échelle internationale. Chaque pays n’a en effet pas le même accès à l’énergie solaire, éolienne et aux autres sources d’énergie renouvelables. Convertir cette énergie en hydrogène liquide en utilisant des électrolyseurs facilite considérablement son transport sur de longues distances.

A mock-up of the ASuMED engine: a superconducting aircraft engine co-developed by Demaco.
Maquette du moteur ASuMED : un moteur d’avion supraconducteur, co-développé par Demaco.

Comment le gaz liquide atteint-il l’application cryogénique ?

Bien entendu, une application cryogénique n’est rien sans liquide cryogénique. Mais comment un gaz liquéfié parvient-il jusqu’à une application ? Comment le liquide extrêmement froid est-il produit, transporté et comment l’approvisionnement de l’application est-il régulé ?

De la production au transport et au stockage

Les gaz industriels, tels que l’azote, l’oxygène, l’hélium et l’hydrogène, sont produits sous forme gazeuse. Le fonctionnement dépend du type de gaz. Par exemple, l’hydrogène est produit par reformage du méthane à la vapeur ou électrolyse. et l’hélium, l’oxygène et l’azote sont produits dans des usines de séparation de l’air.

Après la production, les gaz sont stockés sous forme gazeuse ou liquéfiés à l’aide d’un appareil appelé liquéfacteur pour un stockage et un transport plus efficaces. En effet, sous forme liquide, tous les gaz occupent moins d’espace que sous forme gazeuse. Le stockage et le transport sous forme liquéfiée sont donc beaucoup plus efficaces.

Le liquide est ensuite transporté vers l’utilisateur final dans un réservoir cryogénique par bateau ou par camion.

Du réservoir de stockage à l'application

La plupart des utilisateurs de gaz cryogéniques disposent d’un réservoir de vrac sur place, qui stocke le liquide dans isolation optimale. Ce réservoir est rempli selon les besoins et fournit aux applications cryogéniques un approvisionnement adéquat en gaz liquide.

Mais comment le liquide de ce réservoir atteint-il la ou les applications ? C’est là que infrastructures cryogéniques sont indispensables. Dans la plupart des cas, les liquides cryogéniques parcourent plusieurs dizaines de mètres entre un réservoir de stockage (souvent à l’extérieur d’un bâtiment) et une application (à l’intérieur d’un bâtiment). Il est essentiel que le liquide atteigne l’application à la bonne pression et à la bonne température.

Pour maintenir la plus haute qualité de gaz, un réseau delignes transfert isolées sous vide pour maintenir la plus haute qualité du gaz, complétée par des produits d’amélioration de la qualité tels qu’un séparateur de phases, un dégazeurou vou un pot purgeur automatique . De plus, comme nous l’avons mentionné précédemment, certains réservoirs sont équipés d’une station de remplissage d’azote qui permet aux utilisateurs de transporter de petites quantités d’azote jusqu’à leur poste de travail.

Isolation sous vide

Un système de tuyauterie cryogénique doit être techniquement parfait. Pour la sécurité du transport des gaz cryogéniques, il est essentiel de disposer de la meilleure isolation possible, ett’isolation sous vide est donc utilisée dans la plupart des cas.

Les lignes de transfert isolées sous vide contiennent une ligne de processus entourée d’une chambre à vide, dans laquelle l’isolation sous vide nécessaire est garantie. Cette isolation sous vide empêche la pénétration de l’énergie provenant de l’extérieur et réduit l’évaporation au minimum..

Vous souhaitez en savoir plus sur la meilleure isolation des infrastructures cryogéniques ? Dans ce cas, lisez notre page sur la technologie du vide. .

Cross-section of a vacuum-insulated transfer line (VIP).
Section transversale d'une ligne de transfert isolée sous vide (VIP).

Comment Demaco aide-t-il les applications cryogéniques à fonctionner de manière optimale ?

Ce blog témoigne sans ambiguïté que la technologie cryogénique est très polyvalente. Les liquides cryogéniques sont utilisés dans des dizaines d’industries et se déclinent à l’infini. C’est précisément ce qui rend le métier d’ingénieur cryogéniste si complexe et si intéressant.

Demaco est à la pointe de l’industrie cryogénique depuis des décennies. Notre équipe d’ingénieurs cryogénistes est impliquée dans une grande variété d’industries, fournissant des infrastructures complètes qui garantissent que les gaz cryogéniques sont acheminés depuis le réservoir de stockage jusqu’à l’application en parfait état.

Nous conseillons, concevons, construisons, produisons, fournissons, assemblons, supervisons et certifions des tuyauteries, des systèmes et des composants isolés sous vide et bien plus encore. Nous fournissons également divers produits isolés sous vide dans notre Boutique en ligne du Vide . Nous fournissons également divers produits isolés sous vide à partir de notre site Web. Webshop Vacuum.

Pour plus d’informations sur notre travail, consultez également nos produits et servicesou contactez-nous pour toute question ou pour une consultation gratuite.

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