Brevet FR2404204A1 — publié le 19790420

La présente invention concerne une installation pour la surveillance de l'écoulement d'un fluide a' travers un tuyau, notamment de gaz liquéfiés à bas point d'ébullition transportés dans des conduites métalliques. La surveillance de l'état d'écoulement est particulièrement importante dans le cas oû, pour des raisons d'exploitation ou de sécurité, une modification ou une interruption du débit ne sont pas admissibles. C'est le cas notamment pour des gaz liquéfiés à bas point d'ébullition. La grande différence de température entre l'environ- nement chaud et le gaz liquide maintenu à un froid profond provoque une amenée de chaleur inévitable dans le gaz liquéfié, de sorte que sa teneur en chaleur est augmentée Lorsque ce dernier se trouve à l'état d'ébullition, chaque accroissement de chaleur intérieure provoque la vaporisation d'une fraction correspondante du gaz. Ce processus peut en fait être compensé par un accroissement de la pression à l'utilisation. Cependant, pour des raisons techniques ou économiques, cet accroissement de pression n'est pas, dans nombreux cas, possible à admettre. Les quantités de gaz résultant d'une vaporisation partielle peuvent soulever des difficultés considérables dans le transport de gaz liquéfiés à bas point d'ébullition dans des aanalisations tubulaires. C'est ainsi que, en conséquence de la vaporisation de liquide, il se produit un écoulement à deux phases qui peut avoir pour effet un accroissement important des pertes de pression et ainsi une réduction ou même une interruption de l'alimentation prévue en fin de canalisation. Lorsque le transport est effectué au moyen de pompes rotatives ou de pompes à piston, la formation de gaz dans le domaine des organes de transport provoque un abaissement du débit de transport. En outre, le fonctionnement avec cavitation de la pompe accroit l'usure des roues à aubes et des soupapes de pompe. Dans le cas de pompes à piston, la marche à sec du piston aboutit à une surchauffe et une destruction des garnitures d'étanchéité La surveillance de l'état d'éçoulement, notamment dans le cas de transport de gaz liquéfiés à bas point d'ébullition est par conséquent indispensable. On connaît plusieurs appareils qui servent au contrôle de quantité ou à la détermination du débit de fluides liquides ou gazeux et qui fonctionnent suivant des principes très divers.Cependant, ces appareils possèdent des propriétés qui rendent impossible leur utilisation pour le trans- port de.gaz liquéfiés à bas point d'ébullition On connaît ainsi des appareils de surveillance dont le principe de fonctionnement est basé sur des variations de la pression ou de la densité du fluide, qui sont détectées et signalées à l'aide de dispositifs mécaniques ou électriques. Les inconvénients de ces appareils résident essentiellement dans les difficultés de leur adaptation aux basses températures et aux conditions à haute pression, qui en général nécessitent des constitutions coûteuses et sensibles. D'autres systèmes de surveillance, dont les principes de fonctionnement sont indépendants de la température du fluide qui s'écoule et indépendants de la pression, ;ont, par exemple, ceux qui sont basés sur la dépendance entre la vitesse de progression d'ondes sonores et la vitesse d'écoulement du fluide. Ils nécessitent des dispositifs de mesure compliques, qui dans de nombreux cas, ne sont pas efficaces. IL eliste en outre des dispositifs de mesure et de surveillance qui fonctionnent suivant le principe de mesure électrocalorique. On utilise dans ce cas le changement de température du fluide provoqué par une quantité connue de chaleur, ou la variation de la valeur de résistance d'un élément chauffant refroidi par le fluide qui s 'écoule, comme valeurs de mesure pour la détermination de l'état de l'écoulement. De tels appareils de surveillance sont par exemple comme d'après le brevet DT-PS 854 105 et les brevets DT-AS 1053 201 et 1 262 625. Ces appareils constituent un système de mesure simple et insensible.Leur inconvénient principal est cependant l'amenée d'énergie importante, qui est nécessaire pour compenser l'énergie thermique et les retards de réponse qui en résultent dans la mesure. La présente invention a pour but de réaliser un appareil de surveillance de l'état d'écoulement reposant sur le principe de mesure électro-calorique, qui, avec une construction simple, ne présente qu'une faible charge thermique du fluide et une vitesse de réponse satisfaisante. L'installation a donc pour objet un appareil pour la surveillance de l'état de l'écoulement d'un fluide liquide s'écoulant dans un tuyau, contenant une source de chaleur en liaison conductrice avec la paroi du tuyau, ainsi qu'un organe palpeur de température, caractérisée par un corps métallique à haute conductibilité de la chaleur qui est rel i.é à bonne conduction thermique avec la paroi du tuyau et qui porte, d'une part, la source. de chaleur (5), et, d'autre part, le palpeur de température, disposé dans 1çespace compris entre le siège de la source de chaleur et la paroi intérieure du tuyau. De préférence, le corps métallique est constitué en meme matériau que le tuyau à travers lequel s'écoule le liquide. De tels matériaux sont notamment l'alimentation ou le cuivre. En vue d'assurer une bonne conduction de la chaleur entre le corps métallique et le tuyau, il est prévu de fixer le corps métallique sur le tuyau au moyen d'une liaison par soudage autogène ou à l'étain. Ce mode de fixation présente l'avantage important que le corps métallique et ainsi l'installation conforme à l'invention peuvent être mis en place sans difficultés en des emplacements choisis d'installations déjà existantes. I1 est cependant possible d'envisager d'autres modes de fixation, par exemple par vissage du corps métallique dans la paroi du tuyau. Le corps métallique peut alors traverser la paroi et se trouver en contact direct avec le fluide qui s'écoule. Dans le cas où le corps métallique est soudé sur la paroi du tuyau, il est nécessaire, pour une bonne efficacité de l'installation conforme à l'invention, que le palpeur de température soit disposé près de la surface de contact entre le corps métallique et la paroi du tuyau. Comme source de chaleur, on utilise avantageusement une résistance électrique qui peut être disposée, par exemple, dans un espace vide prévu dans le corps métallique. L'efficacité de l'installation conforme à l'invention repose sur le fait que la quantité de chaleur transmise de la paroi sur un fluide est dépendante des propriétés physiques du fluide, de l'état d'écoulement, de la différence de température entre fluide et paroi, et de la grandeur de la surface de paroi qui transmet la chaleur, selon la relation :: = = F ç ç t 4t avec & = cW" Dans cette formule t = quantité de chaleur transmise, F = surface de paroi transmettant la chaleur, = = coefficient de transmission de chaleur, #t = différence de température entre surface de paroi et fluide s' écoulant, c = valeur caractéristique des matériaux en contact, W= vitesse, n = facteur de puissance Pour un fluide déterminé, avec un état d'écoulement déterminé, pourvu que, comme dans l'installation de l'invention, la quantité de chaleur amenée et transmise soit constante, on obtient une différence de température déterminée 8 t entre surface de paroi et fluide s'écoulant qui dépend uniquement du coefficient de transmission de chaleur & I1 en résulte que, d'après la relation : F = F c o wn ç Ato avec t = constante et F = constante, une variation de la valeur de fluide c ou de la vitesse W, provoque une modification de la différence de température Dans le cas de gaz liquéfiés à bas point d'ébullition comme fluide s'écoulant, la température est constante. Elle correspond à la température de vaporisation pour la pression d'alimentation éventielle dans le réservoir d'alimentation.Chaque changement de la différence de température est par conséquent comparable avec un changement équivalent de la température de la surface de paroi Le palpeur de température de l'installation conforme à l'invention est par conséquent disposé aussi proche que possible de la surface transmettrice de chaleur. Le changement de température de la paroi exige un décalage des isothermes entre source de chaleur et canalisation tubulaire traversée par le fluide, qui est aussitot détecté par le palpeur de température De la relation # = F . &alpha; . #t, il résulte en outre que, pour des valeurs constantes de t et ; , la différence de température est inversement proportionnelle à la surface de transmission de chaleur.Etant donné que, pour des raisons mécano ques (précision, grande vitesse de réponse), on doit chercher à avoir une grande différence de température, la surface de transmission de chaleur doit être prévue aussi petite que possible. L'appareil de surveillance conforme à l'invention est basée essentiellement sur la relation de dépendance représentée, c'est-à-dire qu'il suffit, pour déterminer le changement de l'état d'écoulement d'un fluide circulant dans une conduite, de mesurer le changement de température d'une surface aussi faible qu'on le désire de paroi de conduite, soumise à une charge thermique La charge de chaleur du fluide qui s'écoule nécessaire pour llobtens tion d'une vitesse de réponse suffisante est sans importance car la surface de tuyau chargée par la chaleur est prévue aussi réduite que possible. La description ci-après se rapporte à un exemple de réalisation avec référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe à travers une conduite tubulaire avec une installation conforme à l'invention, par la ligne A-B de la figure 2. - la figure 2 est une vue en élévation latérale partiellement en coupe de l'installation conforme à la figure 1. - la figure 3 est une vue en coupe transversale à travers une installation conforme à l'invention avec représentation de l'allure des isothermes. L'appareil de surveillance représenté dans les figures 1 et 2 comprend, conformément à l'invention, un corps métallique 1 en matériau bon conducteur de la chaleur tel que, par exemple, de l'aluminium ou du cuivre. Le corps métallique 1 est fixé, avec bonne conduction thermique, sur la paroi de tuyau 2 par soudage autogène 3. La paroi de tuyau 2 est constituée en même matériau que le corps métallique 1. Le corps métallique 1 est pourvu, dans sa partie supérieure, d'un logement creux 4, dans lequel est disposée une source de chaleur 5 constituée par une résistance électrique, qui fournit une puissance thermique constante. Dans la partie inférieure du corps métallique, se trouve, près. de la-surface de contact entre le corps métallique 1 et la paroi de tuyau 2, un autre logement dans lequel est disposé un organe palpeur de température 6. La variation de résistance du palpeur de température 6 sert de grandeur de mesure pour la variation de température, au moyen d'un circuit en pont 7. Au liéu d'une résistance, on pourrait utiliser, pour la mesure de température, la variation de tension d'un thermoélément comme grandeur d'entrée de la mesure. Lors de l'écoulement d'un gaz liquéfié à bas point d'ébullition dans le tuyau, la paroi 2 atteint une température qui est voisine de celle du gaz liquéfié. Le corps métallique 1 qui est soudé sur la paroi extérieure du tuyau atteint également une température qui est voisine de la température du fluide. Lorsqu'on met en service la source de température 5, la chaleur produite s'écoule à travers le corps métallique 1, par l'intermédiaire de la surface de contact, dans la paroi du tuyau, où elle est absorbée par le fluide qui s'écoule En raison de la faible surface de contact de transmission de chaleur, il s'établit, dans le corps métallique 1, au voisinage de la surface de contact, une température relativement élevée qui règne également sur la paroi intérieure du tuyau. La température qui s'établit à cet endroit est traversée, par le palpeur de température, au système de mesure Si la valeur caractéristique de matériau du fluide et sa vitesse restent constantes, la répartition de température entre la source de chaleur 5 et la paroi intérieure du tuyau reste également constante. Le décalage des isothermes causé par l'apport de chaleur entre la source de chaleur 5 et la conduite parcourue par le fluide est représenté dans la figure 3. Les isothermes sont représentés par des lignes en tireté et le flux de chaleur par des lignes en trait continu. La partie de droite de la figure 3 montre l'allure des isothermes lorsque la source de chaleur 5 n'est pas en circuit. La partie de gauche montre l'allure lorsque la source de chaleur 5 est en service. S'il se produit alors un état d'écoulement à deux phases, ou si la vitesse d'écoulement du fluide diminue, la valeur du coefficient de transmission de chaleur diminue. I1 en résulte que la température croît à l'emplacement chargé par la chaleur de la surface intérieure du tuyau. Cette augmentation de température est enregistrée par l'installation de mesure. Dans le cas où l'environnement de température est trop grand, il se produit le déclenchement d'un signal d'alarme, ou une coupure automatique de 1 'installation. Les avantages importants de l'installation conforme à l'invention résident en ce que, en plus de la faible charge thermique du fluide en écoulement et de la vitesse de réponse rapide, l'installation peut être montée à chaque instant en un endroit choisi, sans nécessiter aucune transformation de constitution. En outre seul est nécessaire un dispositif de mesure extrêmement simple. I1 en résulte que l'installation de surveillance est particulièrement avantageuse dans des installations à haute pression dans lesquelles la mise en service d'appareils de surveillance d'écoulement connus serait très coûteuse. R E V E N D I C A T I O N S 10) Installation pour la surveillance de l'état d'écoulement d'un fluide à travers un tuyau comprenant une source de chaleur en liaison de conduction thermique avec la paroi du tuyau, ainsi qu'un palpeur détecteur de température, caracté risée par un corps métallique (1) à conductibilité thermique élevée, qui est relié à bonne conduction de la chaleur à la paroi de tuyau (2), qui, d'une part, porte la source de chaleur (5), et qui, d'autre part, contient le palpeur de température (6) dans un logement compris entre le siège de la source de chaleur et la paroi intérieure du tuyau. 20) Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le corps métallique (1) est constitué avec le même matériau que le tuyau 30) Installation suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le corps métallique (1) est fixé sur le tuyau au moyen d'une liaison par soudage antogène ou soudage à l'étain. 40) Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le palpeur de température (6) est disposé près de la surface de contact entre le corps métallique (1) et la paroi du tuyau (2). 50) Installation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la source de chaleur est constituée par une résistance électrique disposée dans un logement du corps métallique.