Optimex
Pompes cryogéniques à moteur noyé sur mesure
OPTIMEX conçoit et fabrique des pompes cryogéniques à moteur noyé sur mesure pour le transfert de GNL, hydrogène liquide (LH2), azote liquide (LN2), oxygène liquide (LOX), argon liquide (LAr) et autres gaz liquéfiés.
Conçues pour les applications à très basse température exigeant un haut niveau de confinement et de fiabilité, les pompes cryogéniques OPTIMEX reposent sur une architecture sans garniture mécanique dynamique, avec moteur intégré et technologie à stator noyé.
Selon les contraintes du projet, OPTIMEX développe des pompes cryogéniques immergées, des solutions adaptées aux faibles NPSH et des configurations spécifiques pour réservoirs de stockage, procédés industriels, énergie, gaz industriels, aéronautique et spatial. Chaque pompe peut être étudiée à partir des caractéristiques du fluide, des performances hydrauliques recherchées et des conditions réelles d’installation.
Pompe pour gaz liquéfiés
Pompe cryogénique à moteur noyé sans garniture mécanique pour gaz liquéfiés
Pour le transfert de gaz liquéfiés, fluides volatils ou liquides à très basse température, l’étanchéité de la pompe constitue un enjeu majeur. Les variations thermiques, la faible viscosité de certains fluides et les contraintes de confinement rendent les systèmes d’étanchéité dynamiques particulièrement sensibles dans les applications cryogéniques.
La technologie de pompe cryogénique à moteur noyé développée par OPTIMEX repose sur une architecture intégrée dans laquelle la pompe et le moteur constituent un ensemble compact, sans garniture mécanique dynamique entre le fluide pompé et l’environnement extérieur.
Cette conception est particulièrement adaptée aux applications nécessitant un haut niveau de confinement, d’étanchéité et de fiabilité, notamment pour le GNL, les gaz industriels liquéfiés et d’autres fluides cryogéniques ou volatils.
Sur une pompe centrifuge conventionnelle, le moteur est généralement situé à l’extérieur de la pompe. Un arbre tournant traverse alors l’enveloppe de la pompe afin de transmettre le mouvement à la roue.
Cette traversée nécessite une garniture mécanique assurant l’étanchéité entre la partie tournante et le corps de pompe. Elle constitue par nature une interface dynamique soumise à l’usure et représente un chemin potentiel de fuite du fluide vers l’extérieur.
Dans une application cryogénique, cette problématique est renforcée par les conditions de fonctionnement : très basses températures, gradients thermiques, contractions des matériaux, cycles de refroidissement et faible viscosité de certains gaz liquéfiés.
Une pompe cryogénique hermétique à moteur noyé fonctionne selon une architecture différente. Le moteur est intégré à la pompe et il n’est plus nécessaire de faire traverser l’enveloppe par un arbre tournant relié à un moteur extérieur.
La suppression de cette traversée permet donc de supprimer également la garniture mécanique dynamique.
Cette conception présente un intérêt particulier pour le pompage des gaz liquéfiés lorsqu’il est nécessaire de limiter les chemins potentiels de fuite.
Pour des fluides volatils ou inflammables tels que le GNL, ou pour d’autres liquides cryogéniques nécessitant un confinement renforcé, une pompe cryogénique sans garniture mécanique permet ainsi d’éliminer l’un des points sensibles des architectures conventionnelles.
L’absence de garniture mécanique réduit également les opérations de maintenance directement associées à cet organe d’étanchéité. Pour les exploitants d’installations industrielles, cette architecture peut donc contribuer simultanément aux objectifs de confinement, de fiabilité et de réduction de la maintenance.
Pour les applications cryogéniques, OPTIMEX a développé une architecture spécifique de moteur à stator noyé, adaptée au fonctionnement à très basse température.
La particularité de cette technologie réside dans le fait que le rotor mais également le stator fonctionnent immergés dans le liquide cryogénique pompé. Le fluide participe ainsi directement au refroidissement du moteur. Les composants électriques sont protégés par un système d’encapsulation spécifiquement adapté à leur environnement de fonctionnement.
Cette conception diffère des architectures classiques de moteurs noyés utilisant une chemise de confinement entre le fluide et le stator. Dans la technologie cryogénique OPTIMEX, l’architecture à stator noyé permet d’intégrer étroitement le comportement du moteur, de l’hydraulique et du fluide cryogénique dans la conception globale de la pompe.
Elle permet d’associer :
- stator et rotor noyés dans le liquide cryogénique,
- refroidissement direct du moteur par le fluide pompé,
- absence de garniture mécanique dynamique,
- conception compacte intégrant pompe et moteur,
- possibilité de configurations entièrement immergées,
- réduction des chemins potentiels de fuite vers l’extérieur,
- adaptation à certaines applications cryogéniques présentant un faible NPSH disponible,
Cette technologie permet notamment d’envisager des pompes cryogéniques immergées directement dans certains réservoirs de stockage, la pompe et son moteur pouvant fonctionner dans le liquide cryogénique. Cette configuration est particulièrement intéressante lorsque les contraintes d’implantation, de confinement ou d’aspiration rendent une installation externe plus difficile.
La présence du moteur dans le fluide impose néanmoins une ingénierie spécifique. La température, la pression, les caractéristiques thermodynamiques du liquide, les matériaux, les exigences électriques, le bilan thermique et les performances hydrauliques doivent être étudiés conjointement pour chaque application.
La technologie à stator noyé pour très basses températures constitue ainsi l’une des principales différenciations d’OPTIMEX dans le domaine des pompes cryogéniques : plutôt que d’adapter simplement une pompe conventionnelle aux basses températures, la pompe, le moteur et leur environnement cryogénique sont considérés comme un système intégré, conçu en fonction des conditions réelles du projet.
Pompe cryogénique pour réservoir
Pompes cryogéniques immergées pour réservoirs de GNL et gaz liquéfiés
Les pompes cryogéniques immergées sont conçues pour fonctionner directement à l’intérieur des réservoirs ou cuves contenant des gaz liquéfiés et des fluides à très basse température. Cette configuration « in-tank » présente un intérêt particulier lorsque l’installation est confrontée à un faible NPSH disponible, à des contraintes de tuyauterie d’aspiration, à un niveau de liquide variable ou à des exigences élevées de confinement.
Grâce à sa technologie à moteur noyé, OPTIMEX peut développer des configurations dans lesquelles la pompe et le moteur fonctionnent directement immergés dans le liquide cryogénique. Le groupe de pompage est ainsi positionné au plus près du fluide à transférer.
Cette architecture peut notamment être étudiée pour les réservoirs de GNL et autres stockages de gaz liquéfiés, lorsque les conditions d’aspiration, le confinement ou le fonctionnement à faible niveau de liquide constituent des paramètres déterminants du projet.
Contrairement à une pompe installée à l’extérieur du réservoir, une pompe cryogénique immergée est positionnée directement à l’intérieur de la cuve de stockage et fonctionne dans le liquide pompé.
Dans la configuration développée par OPTIMEX, la partie hydraulique et le moteur sont immergés dans le fluide cryogénique. Cette architecture est rendue possible par la technologie à stator noyé et par l’absence de garniture mécanique dynamique entre le fluide et l’environnement extérieur.
L’installation « in-tank » permet ainsi de rapprocher l’aspiration de la pompe de la source du liquide et de réduire la longueur et la complexité des circuits d’aspiration externes.
Cette configuration est notamment pertinente pour une pompe immergée GNL. Le GNL étant stocké à proximité de son point d’ébullition, toute perte de pression excessive à l’aspiration peut favoriser la formation de vapeur. Positionner la pompe directement dans le réservoir permet de réduire les contraintes associées à une longue ligne d’aspiration externe.
L’intérêt d’une pompe in-tank GNL ne se limite toutefois pas au NPSH. Le confinement constitue également un critère important pour un fluide volatil et inflammable. L’installation immergée associée à une technologie à moteur noyé sans garniture mécanique permet de limiter les traversées et chemins potentiels de fuite associés à certaines architectures conventionnelles.
Le NPSH disponible constitue l’une des principales contraintes lors du soutirage d’un liquide cryogénique depuis un réservoir.
Les gaz liquéfiés sont souvent stockés dans des conditions proches de leur point d’ébullition. Une diminution de pression à l’entrée de la pompe peut donc provoquer une vaporisation locale du liquide et augmenter les risques de flashing, de cavitation et d’instabilité hydraulique.
Cette problématique s’accentue à mesure que le réservoir se vide.
Lorsque le niveau de liquide diminue, la hauteur statique disponible au-dessus de l’aspiration de la pompe diminue également. Le NPSHa devient alors progressivement plus faible, alors que la pompe doit continuer à assurer le débit et la HMT demandés.
Une pompe cryogénique faible NPSH doit donc être étudiée en fonction des conditions les plus défavorables de l’installation et notamment du niveau minimal de liquide prévu dans le réservoir.
L’installation de la pompe directement dans la cuve permet de positionner son aspiration à proximité du fond du réservoir et de maximiser la hauteur de liquide disponible. Elle permet également de réduire les pertes de charge qui seraient générées par une tuyauterie d’aspiration externe.
OPTIMEX étudie la pompe cryogénique immergée comme un élément du système de stockage et de soutirage dans son ensemble. L’objectif est de définir une solution adaptée aux conditions réelles du projet, notamment lorsque faible NPSH, bas niveau de cuve, confinement et transfert de gaz liquéfiés rendent insuffisante la simple sélection d’une pompe standard sur catalogue.
Pompes cryogéniques : les applications
Applications des pompes cryogéniques dans l’énergie, l’industrie et le spatial
Les pompes cryogéniques industrielles sont utilisées chaque fois qu’un gaz liquéfié ou un fluide à très basse température doit être transféré, soutiré, mis en circulation ou intégré à un procédé industriel.
Les besoins concernent aussi bien les infrastructures énergétiques et le GNL que la production de gaz industriels, les procédés chimiques et pétrochimiques, les infrastructures hydrogène ou encore les applications aéronautiques et spatiales.
Chaque secteur présente cependant des contraintes différentes. La nature du fluide, sa température, sa pression de vapeur, le débit, la HMT, le NPSH disponible, le mode d’installation et les exigences de confinement déterminent la configuration de la pompe cryogénique.
OPTIMEX développe ainsi des solutions de pompage à moteur noyé adaptées aux conditions de fonctionnement et aux contraintes spécifiques de chaque application.
Le secteur de l’énergie constitue un domaine majeur d’utilisation des pompes pour gaz liquéfiés, notamment pour le stockage, le transfert et la distribution du GNL et, pour certaines infrastructures, de l’hydrogène liquide.
Ces applications imposent de maîtriser simultanément les très basses températures, la vaporisation du GNL, le NPSH et le confinement d’un fluide volatil et inflammable.
Pour ces applications énergétiques critiques, la technologie à moteur noyé sans garniture mécanique permet de supprimer une interface d’étanchéité dynamique et présente donc un intérêt particulier lorsque la limitation des chemins potentiels de fuite constitue un critère important du projet.
Les gaz industriels constituent un autre domaine majeur d’utilisation des pompes cryogéniques.
Dans les unités de séparation de l’air (ASU ou Air Separation Units) et les installations associées, les pompes assurent notamment le transfert, le soutirage, le stockage et la distribution de l’oxygène liquide (LOX), de l’azote liquide (LN2) et de l’argon liquide (LAr).
Les pompes cryogéniques peuvent également répondre à des besoins rencontrés dans la chimie, la pétrochimie et certains procédés industriels basse température utilisant des gaz liquéfiés, des hydrocarbures réfrigérés ou d’autres fluides présentant des contraintes particulières de température, de volatilité ou de confinement.
Selon l’application, les fluides concernés peuvent notamment inclure le GNL ou méthane liquide, l’éthylène, le propylène, le GPL et d’autres hydrocarbures ou gaz liquéfiés.
OPTIMEX développe des pompes cryogéniques pour gaz industriels et procédés basse température adaptées au point de fonctionnement et aux contraintes réelles de l’installation.
Les secteurs aéronautique et spatial utilisent des fluides cryogéniques pour certaines applications de recherche, d’essais, de qualification et de propulsion.
Ces projets peuvent nécessiter des équipements de pompage capables de transférer des liquides à très basse température entre des réservoirs de stockage, des équipements d’essais et des installations au sol.
Dans le domaine spatial, certains systèmes de propulsion utilisent notamment des ergols cryogéniques tels que l’oxygène liquide (LOX) et l’hydrogène liquide (LH2).
Les équipements au sol peuvent alors nécessiter des solutions spécifiques pour leur stockage, leur conditionnement, leur transfert ou l’alimentation de bancs d’essais.
Une pompe LOX ou une pompe LH2 destinée à ces environnements doit être conçue en fonction des caractéristiques propres au fluide et au programme : températures extrêmes, compatibilité des matériaux, propreté, maîtrise des apports thermiques, NPSH, conditions transitoires, répétabilité et confinement.
Ces applications sortent fréquemment du domaine des pompes industrielles standard.
Une pompe cryogénique sur mesure permet alors d’adapter l’hydraulique, le moteur, les matériaux, l’orientation et la configuration d’installation aux exigences du banc d’essai ou de l’installation.
Pour les projets aéronautiques, spatiaux et de R&D, chaque solution OPTIMEX est donc étudiée et validée en fonction du fluide cryogénique, du profil de fonctionnement, des performances hydrauliques et des exigences spécifiques du projet.
Choisir sa pompe cryogénique
Comment choisir et dimensionner une pompe cryogénique industrielle ?
Le choix d’une pompe cryogénique ne peut pas reposer uniquement sur un débit et une pression de refoulement. Les gaz liquéfiés fonctionnent souvent à proximité de leurs conditions de saturation : leurs propriétés thermodynamiques, la température, la pression de vapeur et les conditions d’aspiration peuvent directement influencer la stabilité du pompage.
Le dimensionnement d’une pompe cryogénique doit donc prendre en compte l’ensemble du point de fonctionnement et des contraintes de l’installation : fluide pompé, températures minimale et maximale, pressions d’aspiration et de refoulement, débit, HMT, NPSH disponible, matériaux, mode d’installation et conditions de service.
OPTIMEX analyse ces différents paramètres afin de définir une solution de pompage adaptée aux conditions réelles de fonctionnement, plutôt que de sélectionner une pompe uniquement à partir d’un point nominal sur catalogue.
La première étape consiste à identifier précisément le fluide cryogénique ou gaz liquéfié à pomper.
GNL, hydrogène liquide, azote liquide, oxygène liquide, argon liquide, GPL ou hydrocarbures réfrigérés présentent des caractéristiques différentes en matière de température, densité, viscosité, pression de vapeur, inflammabilité, pouvoir oxydant et compatibilité avec les matériaux.
La composition exacte du fluide doit également être connue lorsque celui-ci est constitué d’un mélange.
Pour le GPL, par exemple, les propriétés du propane, du butane et de leurs mélanges ne sont pas identiques.
Pour dimensionner la pompe, il est donc nécessaire de préciser :
- la nature et la composition du fluide,
- la température minimale de fonctionnement,
- la température nominale,
- la température maximale,
- la pression à l’aspiration,
- la pression au refoulement,
- la pression de vapeur du liquide dans les conditions considérées.
Ces données permettent de déterminer l’enveloppe réelle de fonctionnement de la pompe et d’anticiper les risques de changement de phase.
Pour un liquide cryogénique fonctionnant à proximité de son point d’ébullition, une diminution de pression ou un apport de chaleur peut provoquer une vaporisation partielle du fluide. Les caractéristiques hydrauliques et le comportement thermique de la pompe doivent donc être considérés conjointement.
OPTIMEX intègre notamment un bilan thermique dans son approche de sélection des pompes cryogéniques afin de vérifier la compatibilité de la conception proposée avec les conditions de fonctionnement et de limiter le risque de vaporisation interne.
Le débit, la hauteur manométrique totale (HMT) et le NPSH constituent les principales données hydrauliques nécessaires au dimensionnement d’une pompe cryogénique.
Le débit demandé doit être défini en tenant compte du fonctionnement réel de l’installation. Il peut être nécessaire de préciser un débit minimal, nominal et maximal, notamment lorsque la pompe doit fonctionner sur plusieurs points ou lorsque les besoins du procédé varient.
La HMT de la pompe correspond à l’énergie que celle-ci doit fournir au fluide pour vaincre la différence de pression et de niveau ainsi que les pertes de charge du circuit. Elle doit donc être déterminée à partir de l’installation complète et pas uniquement de la pression souhaitée au refoulement.
Le NPSHa de l’installation doit être comparé au NPSH requis par la pompe (NPSHr) avec une marge adaptée aux conditions de fonctionnement.
Cette analyse est particulièrement importante pour le soutirage depuis un réservoir cryogénique. Lorsque le niveau de liquide diminue, la hauteur statique disponible à l’aspiration se réduit et les conditions deviennent progressivement plus contraignantes.
Lorsque le NPSH disponible est faible, OPTIMEX peut étudier différentes architectures : optimisation de l’aspiration, pompe immergée directement dans le réservoir ou intégration d’un inducteur permettant de réduire le NPSHr, selon les besoins du projet.
Une fois les caractéristiques du fluide et le point de fonctionnement définis, le choix de la pompe doit intégrer les contraintes mécaniques, électriques, d’installation et de sécurité propres au projet.
Les matériaux doivent tout d’abord rester adaptés aux très basses températures et être chimiquement compatibles avec le fluide pompé. Les phénomènes de contraction thermique et l’évolution des propriétés des matériaux doivent être pris en compte dans la conception des composants, des jeux et des assemblages.
Certaines applications imposent également des précautions spécifiques. Le pompage de LOX, par exemple, nécessite une évaluation particulière de la compatibilité des matériaux, de la propreté et des exigences applicables au service oxygène.
La configuration d’installation constitue un autre critère de sélection. Selon le réservoir, le procédé et les conditions d’aspiration, une pompe peut nécessiter une configuration spécifique : orientation verticale ou horizontale, installation externe, pompe cryogénique immergée ou configuration directement intégrée dans le réservoir.
Les exigences électriques et de sécurité doivent être précisées : alimentation du moteur, instrumentation et surveillance, exigences propres au site et, lorsque l’application et le zonage l’imposent, exigences liées aux atmosphères explosives (ATEX).
Pour définir une pompe cryogénique sur mesure, OPTIMEX prend ainsi en compte un ensemble de données de cahier des charges :
fluide → températures → pressions → débit → HMT → NPSH → matériaux → mode de fonctionnement → implantation → exigences électriques et de sécurité.
Cette approche permet de sélectionner et de concevoir la pompe cryogénique comme un élément du système de pompage complet, adapté au fluide, au procédé et aux contraintes réelles de l’installation.
Pompe cryogénique sur mesure
Fabricant de pompes cryogéniques à moteur noyé sur mesure
Les applications cryogéniques imposent souvent des conditions de fonctionnement qui dépassent les possibilités d’une pompe standard : températures extrêmes, faible NPSH disponible, gaz liquéfiés volatils ou dangereux, contraintes de confinement, configuration particulière du réservoir ou performances hydrauliques spécifiques.
En tant que fabricant de pompes cryogéniques, OPTIMEX développe des solutions de pompage à moteur noyé adaptées aux caractéristiques réelles du fluide, du procédé et de l’installation.
Plutôt que de sélectionner uniquement une référence sur catalogue, OPTIMEX peut concevoir une pompe cryogénique sur mesure à partir du cahier des charges de l’application : nature du fluide, température, débit, HMT, pressions, NPSH, matériaux, implantation, motorisation et exigences particulières du projet.
Cette approche permet d’accompagner les industriels, ingénieries et intégrateurs recherchant un fournisseur de pompe cryogénique capable d’intervenir depuis l’analyse du besoin jusqu’à la conception, la fabrication, l’assemblage et les essais de la solution.
La conception d’une pompe cryogénique commence par l’analyse détaillée du fluide et de l’ensemble de l’enveloppe de fonctionnement.
À très basse température, les performances hydrauliques ne peuvent pas être dissociées du comportement thermodynamique du liquide.
OPTIMEX étudie donc conjointement les paramètres hydrauliques, thermiques, mécaniques et électriques nécessaires au dimensionnement de la pompe.
L’un des points importants de l’ingénierie cryogénique OPTIMEX est la prise en compte du bilan thermique.
Pour un gaz liquéfié fonctionnant à proximité de son point d’ébullition, la chaleur introduite par le moteur, les pertes hydrauliques ou l’environnement peut favoriser une vaporisation partielle du fluide. OPTIMEX intègre donc une analyse thermique afin de vérifier que la conception proposée reste compatible avec les conditions de fonctionnement et de limiter le risque de vaporisation interne.
Lorsque le NPSH disponible est faible, la conception hydraulique et l’implantation peuvent également être adaptées. Selon l’application, OPTIMEX peut étudier une configuration immergée dans le réservoir, une optimisation de l’aspiration ou l’intégration d’un inducteur destiné à réduire le NPSHr.
Cette approche permet de concevoir la pompe à partir du système cryogénique dans son ensemble, et non simplement à partir d’un débit et d’une pression de refoulement.
Pour une pompe cryogénique sur mesure, la maîtrise de la conception et de la fabrication constitue un élément important, car les parties hydraulique, mécanique, électrique et thermique sont étroitement liées.
OPTIMEX maîtrise en interne les principales étapes de développement et de production de ses pompes, depuis les études jusqu’à l’assemblage et aux essais.
Cette maîtrise est particulièrement importante pour la technologie cryogénique OPTIMEX à stator noyé, dans laquelle le moteur fonctionne directement au contact du liquide cryogénique. L’hydraulique, le moteur, les composants électriques encapsulés et le fluide doivent donc être considérés comme les éléments d’un même système.
Les essais constituent enfin une étape essentielle avant livraison. Selon la pompe et les spécifications contractuelles, ils peuvent permettre de vérifier notamment les performances hydrauliques, le débit, la HMT, le comportement électrique, les vibrations, l’étanchéité et le fonctionnement global de l’équipement. Des exigences spécifiques d’inspection, d’essais ou de documentation peuvent également être définies selon le projet.
Le recours à une pompe cryogénique sur mesure devient particulièrement pertinent lorsque l’application se situe en dehors des conditions couvertes par les équipements standards.
OPTIMEX peut adapter l’hydraulique, le moteur, les matériaux, l’orientation de la pompe et sa configuration d’installation aux contraintes du projet.
Cette capacité d’ingénierie permet d’étudier des solutions pour différentes applications critiques :
- pompes GNL pour stockage et transfert de gaz naturel liquéfié,
- pompes pour GPL et autres gaz liquéfiés ou hydrocarbures volatils,
- pompes pour hydrogène liquide (LH2),
- pompes pour azote liquide (LN2),
- pompes pour oxygène liquide (LOX),
- pompes pour argon liquide (LAr),
- pompes pour unités de séparation de l’air et gaz industriels,
- applications cryogéniques pour l’aéronautique et le spatial,
- bancs d’essais, R&D et autres applications cryogéniques spéciales,
Pour les fluides ou applications particulièrement exigeants (LH2, LOX ou certaines applications aéronautiques et spatiales) la configuration et l’aptitude de la pompe doivent être spécifiquement étudiées et validées en fonction du fluide, de l’enveloppe de fonctionnement, des exigences applicables et du cahier des charges du projet.
Vous avez un projet de pompe cryogénique ou une application qui ne peut pas être couverte par une pompe standard ?
OPTIMEX développe des pompes cryogéniques sur mesure pour les applications où très basses températures, confinement du fluide et fiabilité imposent une conception spécifique.
Transmettez à OPTIMEX votre cahier des charges : fluide, débit, HMT, températures, pressions et contraintes d’installation. Nos ingénieurs étudieront une solution de pompage cryogénique adaptée à votre application.
