Brevet FR2199092A1 — publié le 19740405

La présente invention concerne les procédés et dispositifs de pressurisation des réservoirs de carburant à l'aide d'un gaz et elle s' applique plus particulièrement à la pressurisation des réservoirs d'avion , qui sont soumis à une pression extérieure variant dans une plage considérable au cours du vol. On connaît déjà de nombreux dispositifs permettant de maintenir au-dessus du carburant occupant un réservoir une atmosphère gazeuse à une pression supérieure à la pression ambiante. On a déjà réalisé des installations qui permettent de maintenir audessus du carburant une atmosphère de nature telle qu'elle ne peut constituer un mélange explosif avec les vapeurs des carburants usuels. Une solution couramment adoptée sur les avions consiste à utiliser, comme source de gaz de pressurisation, un générateur alimenté par une réserve d'azote liquide. Cette solution a l'in- convénient d'obliger de prévoir une installation de poids considérable sur l'avion ; de plus, elle exige que les aéroports soient équipés d'une installation de ravitaillement en azote liquide. Une autre solution, utilisée notamment sur les pétroliers, consiste à prélever de l'air normal, à l'appauvrir en oxygène en y brûlant un combustible et à envoyer les gaz de combustion après refroidissement dans le réservoir à pressuriser. Cette solution tend à polluer les réservoirs par les produits de combustion, notamment par l'eau et le gaz carbonique, et elle est en conséquence inapplicable aux avions. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif de pressurisation utilisables sur avions et écarte, dans une large mesure, les inconvénients des solutions antérieures. Dans ce but l'invention propose notamment un procédé suivant lequel on admet de l'air dans un compartiment de réaction contenant soit un produit donnant avec l'oxygène une réaction réversible d'adsorption physique ou de combinaison chimique, à un débit et dans des conditions telles que le gaz sortant du compartiment ait une teneur en oxygène réduite à une valeur au plus égale au tiers de sa teneur dans l'air, le gaz sortant du compartiment étant dirigé vers les réservoirs à pressuriser à un débit réglé pour maintenir dans les réservoirs une surpression sensiblement constante par rapport à l'atmosphère ambiante, soit au contraire un produit donnant avec l'azote une réaction réversible d'adsorption physique ou de combinaison chimique, à un débit et dans des conditions telles que le gaz retenu soit constitué principalement d'azote avec une teneur en oxygène au plus égale au tiers de sa teneur dans l'air, en ce qu'on régénère ledit produit en le soumettant à des conditions telles qu'il libère soit l'oxygène retenu pendant que la sortie du compartiment est séparée desdits réservoirs, soit au contraire l'azote retenu qui est alors dirigé vers les réservoirs à pressuriser, et en ce qu'on répète la séquence d'opérations. L'invention propose également un dispositif de pressurisation qui comprend une prise d'air, une pluralite de compartiments de réaction occupés chacun par un produit présentant, avec l'oxygène ou avec l'azote, une réaction réversible d'absorption et de restitution, des moyens de commutation permettant de relier la prise d'air à l'entrée de l'un quelconque des compartiments et la sortie de l'un quelconque des compartiments aux réservoirs à pressuriser par'l'intermédiaire de moyens de régulation sensibles à la surpression dans les réservoirs par rapport à l'atmosphère ambiante et qui règlent le débit d'admission pour maintenir ladite surpression à une valeur sensiblement constante. L'invention permet de s'affranchir de toute installation au sol, au prix d'un simple remplacement périodique du produit destiné à retenir l1oxygène, ce produit pouvant se présenter sous forme d'une cartouche amovible. Elle évite toute pollution des réservoirs. Elle permet de profiter du fait qu'il suffit d'un appauvrissement très partiel en oxygène pour éviter la formation de mélange gazeux explosif avec les combustibles usuels tels que le kérosène. Dans la pratique, on utilisera toujours au moins deux compartiments de réaction (un nombre supérieur étant évidemment possible) ; pendant les phases du vol d'un avion qui n'exigent qu'un faible débit d'alimentation en gaz de pressurisation, on utilisera un seul des compartiments, avantageusement dans des conditions telles qu'il fournisse un appauvrissement élevé, dépassant largement celui qui est nécessaire. Ce sera notamment le cas lors de la montée, lorsque la pression extérieure diminue, et en palier, où il suffit de compenser-la consommation de carburant et les fuites éventuelles. Au contraire, tous les compartiments pourront être utilisés en parallèle lors de la descente, lorsque le débit de gaz doit compenser à la fois la consommation de carburant et la diminution de la pression extérieure. Pour que le dispositif ait un fonctionnement aussi satisfaisant que possible sur avion, il est nécessaire qu'il soit alimenté par une source d'air dont la pression et la température varient dans une plage qui est très inférieure à celle que l'on trouve dans l'atmosphère au cours des diverses phases du vol des avions modernes. Ce résultat peut notamment être atteint en prélevant, sur un appareil commercial, l'air qui est évacué de la cabine. En effet, cet air est d une pression comprise entre la pression atmosphérique au sol et la pression de rétablissement. Sa température est toujours maintenue sensiblement constante pour le confort des passagers. On peut également, sur tous les appareils modernes, prélever de l'air sur l'un des réacteurs en aval du compresseur. Dans la pratique, dans le premier cas, on disposera d r d'air à une pression comprise entre la pression au sol et la pression à deux mille mètres environ, à une température voisine de 20 C, qui n'est que très faiblement pollué par la respiration des passagers.Dans le second cas l'air prélevé sur le réacteur sera détendu à une pression régulée et ramené à une température sensiblement constante (bien qu'une grande précision ne soit pas indispensable), comprise entre 10 et 25"C en général, choisie de manière à optimiser les conditions de réaction du produit choisi. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'un dispositif de pressurisation de réservoir d'avion qui ne constitue qu'un mode particulier de mise en oeu vre, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique qui l'accompagne et montre, de façon très schématique, la constitution générale du dispositif. L'installation illustrée sur la figure comprend une tubulure 1 de prise d'air en aval du compresseur d'un turbo-réacteur 2 de l'appareil équipé de l'installation. L'air ainsi prélevé traverse un échangeur de chaleur 3 destiné à maintenir la température dans une plage qui peut être assez large, par exemple, entre 100 et 15 ou 20 et 25". Dans ces conditions, étant donné de plus que la température de l'air prélevé ne varie pas dans des limites importantes, il n'est en général pas nécessaire de munir l'échangeur de chaleur d'un système de régulation. L'air refroidi dans l'échangeur 3 passe dans un détendeur 4 destiné à ramener sa pression à une valeur compatible avec le reste de l'installation en tenant compte de la pression extérieure. L'air à pression réduite sortant du détendeur 4 est envoyé à un organe de commutation illustré schématiquement sous forme d'une électro-vanne 5 à trois voies. Cette électro-vanne permetd'envoyer l'air dans l'un ou l'autre des deux compartiments 6 et 6' ou dans les deux compartiments. Ce nombre de deux n'est évidemment pas limitatif et dans certains cas on aura avantage à prévoir un nombre supérieur de compartiments bien qu'on alourdisse ainsi l'installation. Chacun des compartiments 6 et 6' est destine à retenir une fraction de l'oxygène de l'air qui le traverse depuis son entrée jusqu'à une sortie 7 ou 7'.Pour cela il est donc occupé par un produit qui suivant les conditions dans lesquelles il se trouve (pression régnant dans le compartiment, température, débit gazeux ) est susceptible soit d'absorber de l'oxygène, soit au contraire de se dégazer en le restituant. Ce produit peut entre constitué par un lit de matériau présentant avec l'oxygène, une réaction d'oxydation réversible. On donnant divers matériaux à base d'oxyde de cuivre qui, suivant les conditions dans lesquelles ils se trouvent, peuvent absorber de ltoxy- gène présent dans la phase gazeuse qui les traverse en donnant naissance à un oxyde supérieur, o u libérer cet oxygène en revenant à l'état d'oxyde inférieur.On connaît également des matériaux qui, sous forme de lit absorbant, peuvent retenir sélectivement l'oxygène d'une phase gazeuse qui les traverse (éventuellement d'ailleurs en meme temps qu'ure fraction plus faible d'autre gaz) puis restituer cet oxygène.Ouel que soit le produit retenu, (qui dans la suite de l'exposé sera, pour plus de simplicité,supposé agir par réaction chimique réversible), il doit être prévu pour pouvoir absorber, dans des conditions normales de fonctionnement, les daxtiau trains de l'oxygène présent dans le courant d'air qui traverse le compartiment.En effet, il suffit que la teneur en oxygène de l'air soit réduite au tiers sa valeur dans l'atmosphère normale pour qu'il constitue un gaz de pressurisation ne donnant plus naissance à des mélanges détonnants. Les sorties 7 et 7' des compartiments 6 et 6' sont reliées chacune à un organe de commutation représenté sous forme d'une électro-vanne à trois voies 8 ou 8'. L'une des sorties 9 de chaque électro-vanne alimente un collecteur de distribution 10. Une autre sortie 11 est reliée, soit directement, soit par l'intermédiaire d'une pompe à vide primaire 12 destinée à améliorer le fonctionnement à basse alti tude, à l'atmosphère. Enfin, le collecteur 10 est muni de dérivations 13 alimentant chacune un réservoir 14. Sur chaque dérivation est interposée une vanne de réglage 15 sensible à la différence de pression entre la phase gazeuse dans le réservoir 14, mesurée à l'aide d'une sonde -16} et latmosphere pour régler l'arrivée des gaz de pressurisation dans le réservoir. Pratiquement, la vanne 15 sera en général prévue pour maintenir dans les réservoirs une surpression par rapport à l'atmosphère ambianterelativement constante, au maximum de 0,35 Kg par cm2. La séquence de fonctionnement du dispositif qui vient d'entre décrit lors d'un vol normal peut notamment etre la suivante: La pressurisation étant supposée acquise dès le décollage, au cours de la phase de montée il suffit d'un très faible débit d'alimentation, puisque la pression extérieure diminue si le volume de la phase gazeuse dans les réservoirs augmente. On aura alors avantage à faire fonctionner un seul des compartiments dans des conditions telles qu'il appauvrisse l'air en oxygène dans une mesure beaucoup plus importante qu'il n'est nécessaire. Sur la figure les électro-vannes 5,8 et 8' ont été représentes dans une position telle que le compartiment 6' fonctionne pour appauvrir l'air qui le traverse (flèches f) tandis que le compartiment 6 est en cours de régénération. Une fois l'altitude de croisière atteinte, il suffit encore d'un seul compartiment pour fournir le débit de pressurisation nécessaire. On utilisera alors en alternance les compartiments 6 et 6' l'un étant régénéré pendant que l'autre est en service. La régéndration pourra s'effectuer simplement en isolant le compartiment de l'admission et en reliant sa sortie 7 ou 7' à l'atmosphère à basse pression. La pompe 12 ne sera plus nécessaire et pourra être court circuitée. Pour accélérer le dégazage on aura, dans certains cas, intérêt à chauffer le lit de matériau . Pour cela les compartiments 6 et 6' peuvent être munis de résistances chauffantes 7 et 7' mises en service alternativement. Lors de la phase de descente, il faut fournir aux ré- serva::sun débit important. Pour atteindre ce résultat on aura inté ret à renoncer à la régénération et à alimenter le collecteur 10 à partir des deux compartiments 6 et 6 (. Le débit pourra être aug menté en a cc eptant un appauvrissement moins prononcé que dans le cas du vol en montée ou en palier juste suffisant pour éviter la formation de mélanges gazeux explosifs. Cette façon de procéder pourra d'autant plus facilement être utilisée que l'on aura auparavant admis dans les réservoirs un gaz de pressurisation dont la teneur en oxygène est plus faible A titre d'exemple on peut noter que dans le cas d'un avion commercial de transport supersonique du genre CONCORDE le débit de pressurisation doit être de l'ordre de 500 grammes par minute lors du vol en paliers L'installation peut autre prévue pour fournir un débit de gaz avec une teneur en oxygène ramenée à une fraction très faible de sa teneur dans l'atmosphère,de façon à pouvoir fournir le débit beaucoup plus élevé nécessaire en descente. L'invention est évidemment susceptible de nombreux modes de réalisation et de nombreuses variantes. Les produits d'absorp ton delbxygene ou de l'azote peuvent autre tous Qux commercialement connus, sous réserve qu'ils ne libèrent pas de produits nocifs pour les réservoirs ou les moteurs. L'installation peut être modifiée pour recueillir l'oxygène libéré lors de la régdnération au lieu de l'envoyer à l'atmosphère. Le produit peut se présenter sous forme de cartouches amovibles aisément remplaçables après usure. Il va sans dire que la portée du présent brevet s'étend à ces modes de réalisation ou variantes, ainsi plus généralement qu'à tous ceux restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1 - Procédé de pressurisation de réservoirs de carburant, caractérisé en ce qu'on admet de l'air dans un compartiment de réaction contenant un produit donnant avec l'oxygène soit une réaction réversible d'adsorption physique ou de combinaison chimique, à un débit et dans des conditions telles que le gaz sortant du compartiment ait une teneur en oxygène réduite à une valeur au plus égale au tiers de sa teneur dans l'air, le gaz sortant du compartiment étant dirigé vers les réservoirs à pressuriser à un débit réglé pour maintenir dans les réservoirs une surpression sensiblement constante par rapport à 1'atmo- sphère ambiante, soit au contraire un produit donnant avec l'azote une réaction réversible d'adsorption physique ou de combinaison chimique, à un débit et dans des conditions telles que le gaz retenu soit constitué principalement d'azote avec une teneur en oxygène au plus égale au tiers de sa teneur dans l'air, en ce qu'on régénère ledit produit en le soumettant à des conditions telles qu'il libère soit l'oxygène retenu pendant que la sortie du compartiment est séparée desdits réservoirs, soit au contraire l'azote retenu qui est alors dirigé vers les réservoirs à pressuriser, et en ce qu'on répète la séquence d'opérations ci-dessus. 2 - Procédé suivant la revendication 1 de pressurisation des réservoirs de carburant d'un avion, caractérisé en ce qu'on utilise en alternance deux compartiments de réaction dont l'un est régénéré pendant que l'autre est utilisé pour pressuriser les réservoirs. 3 - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'un seul compartiment de réaction est utilisé pendant que l'autre est régénéré lors des phases de montée et de palier et en ce qu'on utilise les deux compartiments en parallèle lors des phases d'appel d'un débit élevé de gaz de pressurisation, les deux compartiments étant alors maintenus dans des conditions telles que l'appauvrissement en oxygène du gaz de sortie est moins prononcé que dans le fonctionnement avec un seul compartiment de réaction en service. 4 - Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 3 de pressurisation des réservoirs de carburant d'un avion, caractérisé en ce que l'air d'alimentation est prélevé à la sortie de la climatisation de la cabine ou en aval du compresseur d'un réacteur. 5 - Dispositif de pressurisation de réservoir de carburant, caractérisé en ce qu'il comprend une prise d'air, une pluralité de compartiments de réaction occupés chacun par un produit présentant, avec l'oxygène ou l'azote, une réaction réversible d'absorption et de restitution, des moyens de commutation permettant de relier la prise d'air à l'entrée de l'un quelconque des compartiments et la sortie de l'un quelconque des compartiments aux réservoirs à pressuriser par ltintermédiai- re de moyens de régulation sensibles à la surpression dans les réservoirs par rapport à l'atmosphère ambiante et qui règlent le débit d'admission pour maintenir ladite surpression à une valeur sensiblement constante. 6 - Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le produit est un matériau absorbant sélectivement l'oxygène ou un matériau présentant des oxydes inférieur et supérieur, lesdits compartiments étant munis de moyens permettant de changer l'équilibre du produit. 7 - Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués par des moyens de chauffage et/ou permettant de créer une pression dans le compartiment. 8 - Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de dépression comportent un conduit muni de moyens d'obturation permettant de relier le compartiment à l'atmosphère à haute altitude, et/ou à une pompe à vide.