Brevet FR2468064A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne une ligne de transfert pour fluide a température tres éloignée de la temperature ambiante et un élancent constitutif pour ligne de transfert. De telles lignes de transfert doivent être isolées thermiquement du milieu ambiant et à cet effet, chaque élément consti tutie comprend un élément de conduit de transfert métallique isolé sous vide par une enveloppe étanche comprenant un élément tubulaire d'isolation coaxial audit élément de conduit de transfert et des parois annulaires d'extrémité formant barrières thermiques, qui sont réalisées en métal aussi peu conducteur que possible, généra liement en acier inoxydable, et avec une configuration radiale en forme de méandre très accentué pour allonger le chemin thermique, et les divers éléments constitutifs d'une ligne sont assembles entre eux avec raccord par soudage des éléments de conduit de transfert, ce qui nécessite, pour effectuer l'opération de soudage, qu'un élément de conduit de transfert fasse légèrement saillie au delà de la barrière thermique d'extrémité correspondante, formant ainsi, entre deux barrières thermiques en regard de deux éléments raccordés, un dégagement non isolé que l'on comble par une matière d'iso- lation. Ce genre de ligne de transfert nécessite d'autres mesures très délicates pour tenir compte du fait que le conduit de transfert de fluide est porté, lors d'une utilisation, à une température très chaude, ou très froide selon qu'il est destiné à véhiculer un fluide très chaud ou très froid, alors que l'enveloppe d'isolation reste substantiellement à la temperature ambiante.Atitre d'exemple pour une ligne de transfert destinée à véhiculer un gaz cryogénique à l'état liquéfié, tel l'azote ou l'oxygène, la différence des tem- pératures entre conduit de transfert et enveloppe d'isolation peut atteindre 2800C, lorsque la ligne de transfert est soumise à une exposition solaire intense qui peut porter les objets métalliques à des températures pouvant atteindre + 800C alors que la temperature d'un tel gaz liquéfié est peu supérieure à - 200 C. Il en résulte que le conduit de transfert, qui est généralement réalisé en acier inoxydable, subit d'importantes variations de longueur par dilatation et/ou rétraction et pour éviter des contraintes mécaniques sur la ligne, qui conduiraient à coup sur à des ruptures, on équipe le conduit de transfert d'un ccopnsateur thermique formé d'un soufflet métallique constituant ainsi luiem & e une partie d'un élément de conduit de transfert. De tels ccmpensateurs sont très coûteux et leur mise en oeuvre est délicate, car un soufflet est constitué de tôle métallique en acier inoxydable de faible épaisseur comprise généralement entre 0,2 et 0,5 item, ce qui rend fragile la ligne de transfert.Pour tenter d'éviter l'emploi de tels compensateurs thermiques, on a déjà réalisé le conduit de transfert en acier "invar", dont la propriété est de présenter un coefficient de dilatation pratiquement nul, mais cette autre façon de faire comporte elle-même des inconvénients, car d'une part l'acier "invar" est particulièrement onéreux, tout en ayant une résistance à l'oxydation très inférieure à celle de l'acier inoxy- dable, d'autre part on ne peut pas finalement éviter la mise en oeuvre d'un ccmpensateur de dilatation qui doit au moins prendre en compte les variations de longueur de l'enveloppe d'isolation et ces variations sont loin d'être négligeables si l'on considère que la temperature de l'envEloppe d'isolation peut varier entre + 800C lors d'une exposition solaire intense à - 200C lors d'un hiver rigoureux.Ce ccmpensateur a une amplitude maximale plus faible que celui dont il a été question plus haut pour les lignes de transfert à conduit de transfert en acier inoxydable, mais sa mise en oeuvre reste cependant impérative avec les inconnénients associés de fabrication et de fragilisation de la ligne. la présente invention vise à pallier tous ces inconnénients en proposant une ligne de transfert thermique qui est de construction particulièrement simple, peu onéreuse, et robuste car elle se dispense de toute mise en oeuvre de ccmpensateurs de dilatation. selon l'invention, chaque paroi d'extrémité formant barrière thermique est réalisée en un matériau de base plastique, se présentant sous forme d'un voile, d'épaisseur suffisante pour supporter le vide d'isolation, qui est pourvu de moyens de raccordement cir conférentiels radialement intérieurs avec un élément de conduit de transfert et radialement extérieurs avec un élément tubulaire d'iso- lation, ledit matériau étant choisi parmi ceux réunissant les pro priétés suivantes a) un module d'élasticité moyen inférieur à 400 hbar b) un rapport résistanceupture/module d'élasticité supé riaure ou égal à 0,01 c) une perméabilité inférieure à 10-6 torr 1./sec.cm2, le cas échéant avec le concours d'un revêtement par un vernis d'étan chiite ; d) un allongement à la rupture supérieure à 4 % pour la tem- rature minimum pendant la déformation ; e) une résilience appropriée à basse température f) une conductibilité thermique inférieure à 10-2 W/cm2/cm ;; g) un maintien substantiel des conditions énumérées en a, b, c, d pour une variation de température d'au moins 300 C. C'est la combinaison de toutes ces mesures qui permet l'ck- tention du résultat annonce. En effet, d'une part une paroi en matériau plastique douée d'une mauvaise conductibilité thermique convient pour assurer, sous forme d'un voile mince, ctest-à-dire sans formation de méandres allongeant le chemin thermique, la nécessaire isolation thermique entre l'élénent de conduit de transfert et l'élément tubulaire d'isolation, mais cette matière plastique doit, en outre, remplir toutes les exigences rappelées aux points a à ci-dessous, et il s'est avéré que de tels matériaux carnrenaient pour réaliser un tel voile avec une épaisseur assez réduite pour limiter l'écoulement thermique dans le sens radial du conduit de transfert vers l'élément tubulaire d'isolation, mais avec cependant une épaisseur suffisante pour résister aux efforts de pressions différentielles s'exerçant normalement à la surface du voile due à l'existence d'un vide d'isolation poussé, de l'ordre de 10-1 à 10-2 torr, pouvant atteindre 10-3 torr. En fait, il existe actuellement assez peu de matériaux plastiques susceptibles de remplir toutes les conditions et des recherches et tests appro- fondis ont permis de découvrir que les polycarbonates, le cas échéant avec le concours de revêtement par un vernis d'imperabi- lisation, tels que ceux connus sous la désignation de "makrolon" et "lexan", certains polyamides, tel le polyamide 11, ou certains polyuréthanes, l'oxyde de polyphénylène ou "P.P.O.", certaines rési nes "epoxy", remplissent les conditions exigées.Au contraire, bien d'autres matériaux plastiques sont exclus, parce qu'ils ne pismettent pas, ou ne conservent pas dans la gamme des températu- res requises, une élasticité suffisante, ou une résistance mécanique venable, ou une imperméabilité apte à tenir le vide.On peut ainsi réaliser des éléments de ligne de transfert ayant une longueur de plusieurs mètres, de l'ordre de six mètres avec une dilatation de l'ordre de 3 mm par mètre pour la température de l'azote liquide, ce qui correspond à une déflexion maximale de la périphérie radialement intérieure par rapport à la périphérie radialement extérieure d'un voile d'extrémité de l'ordre de 9 mn pour un voile, qui à titre d'exemple a une extension radiale s'étendant entre un rayon de 13 mm (diiaètre extérieur de l'élé- ment de conduit = 26 menti et un rayon de 40 itin (diamètre intérieur de l'élément tubulaire d'isolation 80 mm).Compte tenu de ce débattement relativement important, il est préférable, selon l'invention que le racodent d'une paroi d'extrémité s'effectue avec un décalage axial sur l'élément de conduit de transfert et sur ltélement tubulaire d'isolation, en sorte que le voile présente une forme tronconique.Dans le cas de transfert d'un fluide thermique à basse rature, ce décalage axial, qui correspond à une certaine précontrainte est tel que le voile présente une concavité tournée vers l'intérieur de l'élément de ligne, à la température ambiante, alors que la rétraction de l'élément de conduit de transfert a pour effet de faire basculer chaque voile d'extrémité d'une position concave à une position coewexe, toujours considérée de l'intérieur de l'élément de ligne considérée. De la sorte, le débattement axial du voile s'effectue de part et d'autre d'une position normale à l'axe, pour une valeur réduite de moitié par rapport à cette position normale. les caractéristiques et avantages de l'invention ressac tiront d'ailleurs de la description qui suit, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue partielle en coupe axiale d'une ligne de transfert à l'endroit d'une jonction droite, à la température ambiante; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, la ligne étant à température froide - les figures 3 et 4 sont des vues similaires aux figures 1 et 2 d'une ligne de transfert à l'endroit d'une jonction coudée à angle droit. En se référant aux figures 1 et 2, une ligne de transfert 1 pour fluide cryogénique comprend ici deux éléments 2 et 3 raccordés en ligne droite, Ces éléments sont tous de même réali- sation, seule leur longueur peut varier, de préférence dans une gamme de longueurs normalisées, Chaque élément 2, 3 de ligne comprend un élément de conduit de transfert axial 4 en métal, généralement de l'acier incsy- dable, isolé du milieu ambiant par une envEloppe 5 constituée d'un élénenttui1aire 6 en métal, généralement de l'acier inoxydable ou de l'aliininium et deux parois d'extrémité 7, 8, la zone d'isolation comprise entre un élément de conduit 4 et une enveloppe 5 étant placée sous vide et recevant de préférence une isolation à plusieurs couches alternées conductrices et isolantes, des moyens de maintien du vide généralement sous forme d'une botte à adsorbanats, et le cas échéant, notamment selon la longueur de ltélement, des espacalrs isolants thermquement entre élément de conduit 4 et élément tubulaire d'enveloppe 6.Ainsi qu'on le voit au dessin de la figure 1, les parois d'extrémités 7, 8 ont ici la forme d'un voile mince 9 faisant corps avec un manchon radialement intérieur 10 de collage sur un élément de conduit intérieur et avec un man chon radialement extérieur 11 de collage sur l'élément tubulaire d'enselqppe 6 Lors de l'assemblage par collage, on fait en sorte que chaque paroi 7, 8 réalisée en matériau plastique souple comme indiqué précédemment et qui se présente sous forme d'un voile 9 équipé de manchons 10 et 11, qui sont perpendiculaires au plan du voile, reçoive une precontrainte qui fait décaler axialement, vers l'extérieur de l'élément de la ligne 2, 3, le manchon intérieur 10 par rapport au manchon extérieur 11, en sorte que le voile 9 se présente alors sous forme tronconique, de sommet situé à I 'exté- rieur de l'élénent concerné, A cet effet, l'élément de conduit 4 présente une extension axiale plus importante que celle de I ' élé- ment tubulaire d'enveloppe 6 et cette extension supplémentaire est telle qu'elle permette en outre une saillie en 4', 4" au delà du manchon radialement intérieur 10, et la liaison en bout de deux éléments de conduit 4 s'effectue par l'intermédiaire d'une bague interne de liaison 15 à double dégagement circonférentiel 16, 17 servant de réserve pour la colle de liaison avec les saillies 4', 4" de deux éléments tubulaires placés en bout 4.Un bouchon isolant 20, en deux parties, est assemble par collage autour de la jonction ainsi réalisée. La forme de ce bouchon 20 est celle qui ressort de la figure 2, od la ligne se trcuve en fonctionnement à tempErature froide. On voit que le refroidissement des seuls éléments de conduits de transfert 4, alors que les éléments tubulaires d'eneeloppe d'isolation 6 sont pratiquement restés à la température du milieu ambiant, a pour effet de rétracter l'élé- ment de tube 4 et de faire changer la concavité - vu de 1 'inté- rieur de l'élément de ligne - du voile mince 9 en une convexité. Au total, la ligne de transfert 1 se rétracte donc quelque peu à l'état froid ou rétracté (figure 2), le bouchon d'isolation 20 occupe tout l'espace laissé libre entre deux jonctions. On conçoit que la meilleure utilisation du voile 9 est de le faire passer de la position concave - vu de l'intérieur d'un élément - telle que représentée à la figure 1 à une position connexe telle que repré- sentée à la figure 2, bien qu'il serait tout aussi possible de monter la paroi 7, 8, sans aucune précontrainte, c'est-à-dire avec le voile 9 à l'état plan disposé de façon purement radiale par rapport à l'axe de la ligne, mais dans un tel cas, le débattement angulalle lors d'un refroidissement, conduirait à un angle de conicité nettement plus faible, donc à la nécessité d'un allongement élastique dans le sens radial plus important pour le voile 9. On se représente aux figures 3 et 4 une jonction à angle droit, l'on voit que les éléments de ligne sont les muées (ils sont désignés par les mêmes chiffres de référence), la seule différence étant la forme coudée à angle droit de la bague de liaison 15' et du bouchon isolant 20'. L'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentées qui sont aopriées au transfert de fluides très froids. Dans le cas de transfert de fluides chauds, avec isolation thermique à l'égard du milieu ambiant, on comprend que si les dispositions structurelles sont identiques, il se produit cependant en fonctionnement une dilatation et non une rétraction et l'agencement des éléments hors fonctionnement est du type décrit aux figures 2 et 4, tandis que l'agencement des élé- ments en fonctionnement est celui représenté aux figures 1 et 3. REVENDICATIONS 1. - Elément de ligne de transfert pour fluide thermique, notamment cryogénique, du genre comprenant un élément de conduit de transfert métallique isolé sous vide par une enveloppe étanche comprenant un élément tubulaire d'isolation coaxial audit élément de conduit de transfert et des parois annulaires d'extrémité formant barrières thermique, caractérisé en ce que chaque paroi d'extrémité, réalisée en un matériau de base plastique, se présente sous forme d'un voile d'épaisseur suffisante pour supporter le vide d'isolation et est pourvu de moyens de raccordement circonférentiels radialement intérieurs avec ledit élément de transfert et radialement extérieurs avec ledit élément tubulaire d'isolation, ledit matériau étant choisi parmi ceux réunissant les pro priétés suivantes a) un module d'élasticité moyen inférieur à 400 libar; b > un rapport résistance-rupture,o'odule d'élasticité supérieur ou égal à 0,01 ; c) une perméabilité inférieure à 10-6 torr 1./sec.cm2, le cas échéant avec le concours d'un revêtement par un vernis d'étan chéité ; un un allongement à la rupture supérieure à 4 % pour la tempéra- ture minimum pendant la déformation ; e) une résilience appropriée à basse température; f) une conductibilit6 thermique inférieure à 10-2 W/cm/cm; g) un maintien substantiel des conditions énumérées en a, b, c, d pour une variation de tapérature d'au moins 300 C. 2. - Elément de ligne de transfert selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du voile de ladite paroi est comprise entre 0,6 et 1,4 mm. 3. - Elément de ligne de transfert selon la revennica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau de base plastique est un polycarbonate, un polyamide, notamment le polyamide 11, certains polyurétanes, l'oxyde de polypbénylène ou "P.P.O.", certaines résines "epoxy". 4. - Elément de ligne de transfert selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de conduit de transfert a une dimension axiale supérieure à celle de l'élément tubulaire d'enveloppe. 5. - Elément de ligne de transfert selon la revendica- tion 4, caractérisé en ce que la paroi d'extrémité est fixée par collage aux éléments de conduit de transfert et tubulaire dtiso- lation, qui sont en métal, par exemple de l'acier inoxydable ou de l'aluminium. 6. - Elément de ligne de transfert selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le raccordement de la paroi d'extrémité s'effectue avec un décalage axial sur l'élément de conduit de transfert et sur ltéldment tubulaire d'isolation, en sorte que le voile présente une forme tronconique. 7. - Elément de ligne de transfert selon la revendication 6, caractérisé en ce que le décalage est tel qu'à la tempe- rature ambiante, le voile a une forme tronconique à concavité tournée vers l'intérieur de l'élément. 8. - Elément de ligne de transfert selon la revendication 6, caractérisé en ce que le décalage est tel qu'à la tempe- rature ambiante, le voile a une forme tronconique à convexité tournée vers l'intérieur de l'élément.