Brevet FR2314534A1 — publié le 19770107

La présente invention, due à Messieurs Daniel TREMBLAY, André BOISSIER et à Madame Christiane RIBON, Agents d'ELSCTRICITE DE FRANCE et à Messieurs Michel FORESTIER et Jacques GUITTON appartenant à l'Ecole Nationale Supérieure d'Electrochimie et d'Elec- trométallurgie de Grenoble, a trait à un dispositif de mise en pression d'un liquide en confinement monophase dans une cellule à température imposée Corrélativement à l'étude des centrales thermiques modernes se pose le problème de l'étude des propriétés physicochimiques des solutions aqueuses à des températures imposées élevées jusqu'au voisinage de la température critique de liteau (374 C). L'existence de solutions implique l'existence d'une phase liquide. I1 est possible de travailler avec la phase liquide en équilibre de pression avec une phase vapeur, mais les échanges entre les deux phases ne permettent pas de rester martre des concentrations de solutés dans la phase liquide, et il est donc pratiquement nécessaire de travailler à des pressions supérieures à la pression de vapeur saturante à la température imposée. Dans ce cas il est possible de mettre la solution sous pression supérieure à la pression de vapeur saturante en introduisant dans la phase vapeur un fluide sous pression. Mais ce fluide ne doit pas avoir, aux températures et pressions mises en oeuvre, une solubilité telle que les propriétés de la solution soient modifiées. On est donc conduit à travailler sur les solutions en monophase liquide, le liquide étant confiné à la température imposée sous une pression supérieure à la pression de vapeur à cette température. Ce confinement sous pression peut entre obtenu dans une boucle de circulation, en injectant en continu dans une cellule le liquide sous pression et en évacuant corrélativement le liquide en excès. La solution est constamment renouvelée dans l'enceinte et les dangers de contamination sont réduits. Mais l'appareil- lage nécessaire pour entretenir cette circulation dans les conditions voulues de température de pression et de concentration, et notamment pour assurer la stabilité de ces conditions, est complexe et onéreux. I1 est nécessaire de disposer de quantités importantes de solution.La disposition en boucle de circulation se prête davantage à l'étude des régimes établis que des régimes évolutifs. I1 a été réalisé des dispositifs de mise en pression d'un liquide en confinement monophase à température imposée avec une paroi déformable de séparation par rapport à une chambre auxiliaire où est admis un fluide auxiliaire sous pression ajustée. La paroi déformable a été constituée par une nappe d'un liquide lourd non miscible au liquide à confiner, comme le mercure. Mais aux températures et pressions avoisinant le point critique de l'eau, soit 3740C et 221 bars, la réactivité du mercure vis-à-vis des constituants des solutions est notable. La pression de vapeur du mercure atteint le bar à ces températures. On a constitué des parois déformables avec des membranes en polytétrafluoréthylène (PTFE) qui allie la souplesse en faibles épaisseurs à une inertie chimique remarquable. Cependant le PTFE ne supporte pas de façon prolongée des températures supérieures à 280"C, et ses qualités mécaniques sont médiocres au-dessus de 2000C. On a préconisé 11 usage de pistons coulissant dans un joint étanche et séparant le liquide à confiner d'une chambre sous pression. Mais l'étanchéité des joints n'est pas complète et store dans les conditions de température et de pression précitées. On a enfin utilisé des parois déformables constituées par des membranes métalliques minces rendues souples par plissage. Mme les aciers inoxydables ne présentent pas aux températures et pressions envisagées des qualités suffisantes de résistance mécanique et de résistance à la corrosion sous charge. De plus ces membranes métalliques ne supportent que des déformations limitées, notamment à chaud, et doivent cotre de surface importante pour compenser la dilatation du liquide confiné, et de ce fait encombrantes, L'invention a pour objet un dispositif de mise en pression dtun liquide en confinement monophase à température imposée capable de supporter des températures et pressions correspondant au point critique de l'eau. L'invention a également pour objet un dispositif de mise en pression d'un liquide en confinement monophase associé à des cellules à températures imposées simples et de volume réduit. L'invention a encore pour objet un dispositif de mise en pression d'un liquide en confinement monophase robuste, sflr et peu susceptible de contaminer les solutions confinées. Pour répondre à ces objets l'invention propose un dispositif de mise en pression dtun liquide en confinement monophase à température imposée avec une paroi déformable de séparation par rapport à une chambre auxiliaire où est admis un fluide auxiliaire sous pression ajustée, caractérisé par le confinement du liquide dans une cellule à température imposée qui est en communication par un tube capillaire avec une chambre d'expansion associee à la chantre auxiliaire dans une enceinte à température ambiante formant groupe d'expansion, ladite paroi déformable séparant lesdites chambres d'expansion et auxiliaire. Selon cette disposition, la paroi déformable n1 est pas soumise à la température imposée, et les risques de dégradation de la paroi déformable et de contamination du liquide confiné sont considérablement réduits. L'étroitesse du tube capillaire s'oppose aux échanges par convection et dans une large mesure aux échanges par diffusion entre le liquide confiné dans la chambre d'expansion, et le liquide confiné dans la cellule à température imposée, dont l1état est ainsi mieux défini et moins perturbé. La cellule à température imposée ne comportant pas en ell-mCme de moyen de mise sous pression peut entre de constitution plus simple. De préférence le groupe d'expansion comporte une cloison médiane entre les chambres d'expansion et auxiliaire, et la paroi déformable comprend deux soufflets tubulaires, chacun dans une des chambres, bridés coaxialement par une base sur la cloison médiane et fermés à l'extrémité par un fond étanche, les volumes intérieurs des soufflets étant en communination réciproque par au moins un canal à travers la cloison médiane et remplis de façon nomplemen- taire d'une quantité définie d'un liquide intermédiaire incompres- sible. Avantageusement une tige de guidage étendue suivant l'axe des soufflets du fond d'un soufflet à l'autre coulisse librement dans un canon usiné dans la cloison médiane et est engagée à chaque extrémité dans une douille solidaire du fond du soufflet correspondant avec interposition d'un moyen élastique entre chaque douille et une bague fixée à la tige près de l1extrémité eswcssdante. La tige de guidage participe au maintien des soufflets en forme générale cylindrique et les accompagne dans leurs déformations longitudinales complémentaires. Les bagues arrivant au ccntact de la cloison médiane peuvent obturer le débouché du canal de communication. Les soufflets peuvent être réalisés en polytétrafluoréthylène souple et inerte cliimiquetnent, tandis que la chambre d1expansion est avantageusement en platine iridié au moins sur ses surfaces internes. Les caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, a' titre d'exemple, en référence aux dessins annexes dans lesquels la figure 1 représente schématiquement l'ensemble d'un dispositif de mise en pression selon l'invention la figure 2 représente-en coupe un groupe d'expansion. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1 le dispositif de mise en pression comporte une cellule à température imposée 1 dans son ensemble avec une cellule de travail 10 entourée d'une Jaquette chauffante 11. L'introduction du liquide à confiner à l'état monophase est prévue par la tubulure 13 ferme par la vanne 14. La disposition de la cellule 1 et son équipement en moyens d'étude et de mesure est fonction des travaux à effectuer et ne sera pas détaillée ici. La cellule de travail 10 est en communication avec le groupe d'expansion 2 par un tube ca pillaire 12 en platine iridié.Le groupe d'expansion 2, qui sera décrit en détail plus loin comprend, de part et d'autre d'une cloison médiane 20, une chambre d'expansion 21 où débouche le tube capillaire 12, et une chambre auxiliaire 22 en communication par la tubulure 27 et la vanne 28 avec une source de fluide sous pression ajustable schématisée par la flèche 29.La chambre d'expansion 21 est également en communication par un second tube capillaire 32 avec un dispositif de contre et de sécurité 3 dans son ensemble comportant de part et d'autre d'une membrane souple 30, une cavité 31 remplie de liquide à confiner DU débouche le tube et une cavité 32 remplie d'huile dégazée at équipée d'un manomètre 34 et d'un dispositif de sécurité 35. Le groupe expansion représenta en détail figure 2 comprend, de part et d'autre de la cloison médiane 20 deux cloches 210 et 220 qui délimitent respectivement la chambre d'expansion 21 et la chambre auxiliaire 22. Ces cloches 210 et 20 reposent sur la cloison médiane 20 par leurs brides respectives 211 et 221, avec interposition-de joints d'étanchéité toriques et sont maintenues en position par une couronne ue boulons 201. De part et d'autre de la cloison médiane 20 sont bridés deux soufflets tubulaires 23 et 24 respectivement dans les chambres d'expansion 21 et auxiliaire 22. Ces soufflets 23 et 24 sont réali sas en polytétrafluorethylene et sont semblables, si bien que seul 1 soufflet 23 sera décrit en détail. Ce soufflet 23 comprend, de part et d'antre d'une paroi latérale 23C rendue extensible par des plis, un fond étanche 232 à l'extrémité écartée de la cloison médiane 20 et une base 231 avec une collerette filetée qui se visse dans un alésage annulaire complémentaire de la cloison médiane 20 pour se brider avec interposition d'un joint torique d'étanchéité sur cette cloison médiane 20. Sur la face interne du fond 232 est disposée une douille axiale 233, solidaire de ce fond. Dans cette douille 233 est engagée une pièce d'extrémité 206 d'une tige de guidage 205. La pièce d'extrémité 206 possède un renflement en forme de bague, et un ressort 234 est interposé entre la douille 233 et la bague de la pièce terminale 206. La tige de guidage 205 avec ses pièces terminales 206 et 206' s'détend suivant l'axe des soufflets depuis le fond du soufflet 23 jusqu'au fond du soufflet 24, en traversant la cloison médiane 20 par un canon 200 usiné au centre de cette cloison. Ce canon 200 se termine sur l'une et l'autre face de la cloison médiane 20 par deux logements cylindriques respectivement 294et 204' où peuvent pénétrer l'extrémité des bagues de pièces terminales 206 et 206' en fin de course de coulissement de la tige 205, un joint étant prévu sur les pièces 206 et 206' pour l'obturation étanche des logements 204 et 204', telle que représentée pour le logement 204 obturé par la pièce d'extrémité 206'. Des canaux 203 et 2031 pratiqués à travers la cloison médiane 20 parallèlement au canon 200, débouchent dans les logements 204 et 204'. Du canal 203 s'embranche un moyen de purge 202. Les volumes internes des soufflets 23 et 24 sont remplis de façon complémentaire d'un liquide incompressible, qui est une huile dégazée, en sorte que llexten- sion d'un des soufflets soit compensée par la compression de l'autre, l'huile passant par les canaux 203 et 2031, Dans la chambre auxiliaire 22 est disposée une jauge de position de la paroi déformable dont fait partie le soufflet 24. Cette jauge de position est constituée par une pige tubulaire 250 étendue suivant l'axe des soufflets 23 et 24 et reposant sur le fond 242 du soufflet 24 par un évasement 250a-percé latéralement. Cette pige 250 sort de la chambre auxiliaire 22 à travers la cloche 220 par un joint etanche glissant 251. Reliée à la cloche 220 par l'entretoise tubulaire 25 se trouve une cloche de dégagement 26 dans laquelle pénètre l'extrémité de la pige 250 à travers un joint étanche glissant 252. Dans la partie médiane de la pige 250 entre les joints 251 et 252 est fixée une traverse 253 faisant saillie dans l'entretoise 25 par deux fentes latérales. Deux ressorts 254 et 255 fixés entre la bride 221 et les extrémités de la traverse 253 sollicitent la pige 250 en appui sur le fond 242 du soufflet 24. Les longueurs des fentes latérales de 11 entretoise 25 et de la cloche de dégagement 26 sont telles que la pige 250 et sa traverse 253 puissent prendre toutes les positions correspondant aux déplacements conjoints des soufflets 23 et 24 et de la course résultante de la tige de guidage 205 entre les fins de courses définies respectivement par l'engagement de la bague de pièce terminale 206' dans le logement 204 et l'engagement de la bague de pièce terminale 206 dans le logement 204. Au cours du montage du groupe d'expansion 2, on met enlace dans le canon 200 de la cloison médiane 20 la tige guide 205 et on la garnit de ses pièces d'extrémités 206 et 206'. On remplit d'huile dégazée sous vide le soufflet 23, puis on le met en place sur la cloison médiane 20 en engageant la pièce d'extrémité 206 dans la douille 233 avec interposition du ressort 234, en vissant la base 231 dans l'alésage annulaire correspondant de la cloison médiane 20. On chasse l'air résiduel dans le soufflet 23 par poussée sur le fond 232, puis on tire la tige 205 de sorte que la pièce 206 pénètre dans le logement 204 et obture les canaux 203 et 203'. Après retournement de la cloison médiane 20, on met en place le soufflet 24 rempli également d'huile dégazée, puis, purge 202 ouverte, on chasse l'air résiduel dans le soufflet 24, et on ajuste la quantité d'huile dans l'ensemble des soufflets 23 et 24 en laissant l'excédent s'écouler par la purge 202 de façon que les deux pièces terminales 206 et 206 soient engagées dans les douilles respectives, les ressorts interposés étant légèrement comprimes. On ferme et bloque alors la purge 202, puis on complète le montage de l'ensemble d'expansion par mise en place de la cloche 210 et de la cloche 220 équipée de sa jauge de position et on serre les brides 211 et 221 sur la cloison médiane 20 au moyen des boulons 201. La quantité d'huile enfermée dans les volumes internes des soufflets 23 et 24 étant constante, la déformation d'un soufflet sera compensée par une déformation complémentaire de l'autre soufflet, l'huile passant de l'un à 1vautre par les canaux 203 et 203'. Ces déformations complémentaires des soufflets sont accompagnées du coulissement de la tige de guidage 205 danslle canon 200, entre les deux fins de courses définies par la pénétration de la pièce terminale 206 dans le logement 204 et celle de la piece terminale 206' dans le logement 204'. A ces deux fns de courses les canaux 203 et 203 sont obturés, en sorte quelles fins de courses des soufflets 23 et 24 résultent de l'arrtt de la circulation d'huile dans les canaux 203 et 2031 et non de la butée mécanique des fonds 232 et 242 sur les pièces terminales 206 ou 206', du fait de lXin- terposition des ressorts. Entre les deux fins de courses ainsi définies, la pression dans la chambre auxiliaire 22, due à lgadmission de fluide auxiliaire sous pression ajustée par la tubulure 27, est retransmise à l'haie dans le volume interne du soufflet 24, en raison de la souplesse de celui-ci , par les canaux 203 et 203' à l'huile contenue dans le volume interne du soufflet 23, à la perte de charge del'huile s'écoulant dans ces canaux 203 et 203' près ; et par l'intermédiaire de ce soufflet 23 au liquide dans la chambre 21. Le liquide dans la chambre d'expansion 21 et le fluide auxiliaire dans la chambre 22 seront donc sensiblement en équilibre de pression quelle que soit la position entre les fins de courses de la paroi déformable constituée par les soufflets 23 et 24. Par contre à la fin de course correspondant à l'engagement de la bague de la pièce terminale 206' dans le logement 204' la pression du fluide auxiliaire de la chambre 22 sera toujours équilibrée par la pression de l'huile dans le soufflet 24, mais la pression de l'huile dans le soufflet 23, en équilibre avec la pression du liquide dans la chambre d'expansion 21. pourra titre quelconque quoique inférieure à la pression dans la chambre 22 ; de façon similaire à l'autre fin de course, avec le logement 204 obturés les pressions dans les chambres 21 et 22 ne sont plus liées~ la oression dans la chambre d'expansion 22 étant supérieure à la pression du fluide auxiliaire. Ainsi mAine en fins de courses les soufflets 23 et 24 ne sont pas soumis à une pression différentielle susceptible de les endommager. Par ailleurs les canaux 203 et 2031 sont prévus étroits, en sorte quten cas de déséquilibre entre les pressions dans les chambres d'expansion 21 et auxiliaire 22, les déformations complémentaires des soufflets 23 et 24 sont freinées par les pertes de charge dans - les canaux 203 et 203' qui jouent la rdle d'amortisseurs dynamiques. Lorsque le fluide auxiliaire sous pression admis dans la chambre 22 est un gaz sous pression, on a constaté des infiltra- tiens de ce gaz à l'intérieur du soufflet 24 à travers le joint entre la cloison médiane 20 et la base 241 du soufflet 24. La pré- sence de gaz dans le soufflet 24 étant susceptible de provoquer la détérioration de ce soufflet, on a injecté une petite quantité d'huile dans la chambre 22, de façon à noyer le joint de la cloison diane 20 avec la base 241 du soufflet 24, sans atteindre la paroi tubulaire plissée On supprime ainsi radicalement les infiltrations de gaz entre la cloison médiane 20 et la base 241. La jauge de position constituée par la pige tubulaire 250 nXest pas sollicitée pour votre expulsée de la chambre 22 par la pression qui y règne, en raison de 1' existence de la cloche de dégagement 26, qui est en communication avec la chambre auxiliaire 22 par l'alésage interne de la pige tubulaire 250, et donc & la même pression que cette chambre auxiliaire 22, en sorte que les ressorts 254 et 255 maintiennent l'évasement 250a au contact du fond 242 du soufflet 24, la force de rappel de ces ressorts 254 et 255 suffisant a surmonter les frottements de la pige 250 dans les joints étanches glissants 251 et 252, mais n'ayant pas à compenser les efforts de pression sur la pige 250. Après l'assemblage du groupe d'expansion 2, celui-ci est associe 3 une cellule à température imposée 1 et un groupe de contrôle et de sécurité 3, selon le schéma de la figure 1. Après mise sous vide de l'ensemble de la cellule de travail 10, de la chambre d3expansion 21 et de la cavité 31 du groupe 3, le liquide à confiner, clest-à-dire la solution dont on veut étudier les propriétés, est introduit par la vanne 14 et la tubulure 13 dans la cellule 10 d'où il se répand dans la chambre d'expansion 21 par le tube capillaire 12, et de là dans la cavité 31 par le tube capillaire 32. On assure une faible surpression de ce liquide pour comprimer le soufflet 23 et assurer la communication entre les volumes intérieurs des soufflets 23 et 24, et on ferme la vanne 14. On admet alors le fluide auxiliaire venant de la source 29 par la vanne 28 et la tubulure 27 dans la chambre auxiliaire 22, à une pression ajustée et contrôlée sur le manomètre 34. On peut alors commander le chauffage d la jaquette 11 pour porter la cellule 1 à la température imposée. L'excès de liquide à confiner résultant de la dilatation du liquide dans la cellule de travail O rase dans la chambre 21 à travers le tube capillaire 12.En raison de la faible section l'écoulement à travers le tube capil la ire 12 est laminaire, sans mouvement de convection, et le refroidissement du liquide efficace, en sorte que le liquide en excès parvient pratiquement à la température ambiante dans le groupe d'expansion 2, sans que l'homogénéité de température dans la cellule 10 soit perturbée de façon significative. Par ailleurs la chambre d'expansion 21 et le soufflet 23 ntont pas à supporter la température imposée à la cellule 1. Pour éviter la pollution du liquide à confiner, les surfaces internes de la cellule de travail 10, de la chambre 21 et de la cavité 31 sont plaquées de platine iridié, tandis que les capillaires 12 et 32 sont étirés dans ce meme métal. Dans ces conditions le groupe d'expansion peut supporter des pressions atteignant 300 bars, pour des températures imposées de la cellule 1 atteignant 4000C. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à la disposition décrite et pourrait comporter bien des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Elle peut également trouver des applications dans le confinement monophase de liquides autres que les solutions aqueuses. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise en pression d'un liquide en confinement monophase à température imposée avec une paroi déformable de séparation par rapport à une chambre auxiliaire où est admis un fluide auxiliaire sous pression ajustée, caractérisé par le confinement du liquide dans une cellule à température imposée qui est en communication par un tube capillaire avec une chambre dtexpansion associée à la chambre auxiliaire dans une enceinte à la température ambiante formant groupe d'expansion, ladite paroi déformable séparant lesdites chambres d'expansion et auxiliaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le groupe d'expansion comportant une cloison médiane entre lesdites chambres d'expansion et auxiliaire, ladite paroi déformable comprend deux soufflets tubulaires, chacun dans une des chambres, bridés coaxialement par une base sur ladite cloison médiane et fermés à l'extrémité par un fond étanche, les volumes intérieurs délimités par lesdits soufflets étant en communication réciproque par au moins un canal à travers ladite cloison médiane et remplis de façon complémentaire d'une quantité définie d'un liquide inter médiaire incompressible. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par une tige de guidage étendue suivant l'axe desdits soufflets du fond d'un soufflet à l'autre, coulissant librement-dans un canon usiné dans ladite cloison médiane, et engagée à chaque extrémité dans une douille solidaire du fond de soufflet correspondant, un moyen élastique étant interposé entre chaque douille et une bague fixée à la tige de guidage près de l'extrémité correspondante. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit canal débouche de part et d'autre de ladite cloison médiane dans un logement adapté à titre obturé, en fin de course de coulissement de ladite tige de guidage, par une desdites bagues arrivant au contact de ladite cloison médiane. 5. Dispositif selon une quelconque des revendications 2 à 4, comportant une jauge de position de ladite paroi déformable, caractérisé en ce que la jauge est constituée par une pige tubulaire allongée suivant l'axe desdits soufflets dans ladite chambre auxiliaire, sortant de celle-ci par un passage étanche glissant, sollicitée en appui sur le fond du soufflet de la chambre auxiliaire par des ressorts et pénétrant par un second passage étanche glis sant dans une cloche de dégagement solidarisée avec ledit groupe d'expansion. 6. Dispositif selon une uelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que lesdits soufflets sont réalisés en polytétra- fluoréthylène. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite chambre d1expansion, excepte la paroi déformable, est en platine iridié au moins sur ses surfaces internes.