Brevet FR2497682A1 — publié le 19820716

L'invention concerne les procédés et dispositifs qui permettent de séparer une phase liquide et une phase gazeuse à partir d'un mélange biphasique produit par la détente d'un fluide. Cependant, elle s'intéresse plus particulièrement aux techniques de séparation de telles phases qui conviennent à une mise en oeuvre en milieu d'apesanteur. Dans les matériels et produits emportés dans l'es- pace, pour ttre utilisés dans les fusées ou sur les satellites par exemple, on a fréquemment besoin de recréer par des moyens différents l'interface entre phase liquide et phase gazeuse qui, sur terre, se forme naturellement sous l'action du champ de gravitation. Cette nécessité existe notamment chaque fois que l'on souhaite pouvoir prélever dansuun réservoir de fluide, uniquement le fluide à l'état liquide ou uniquement la vapeur, ou uniquement l'une des phases d'un mélange bi- phasique liquide-gaz, alors qu'en milieu spatial il n'y a pas de forces de pesanteur capables de l'emporter sur les forces de tension superficielles et il n'existe pas d'état stable de l'interface liquide- gaz. Il est usuel en particulier de chercher à mettre à l'atmosphère les réservoirs contenant des liquides cryogéniques par un conduit qui débouche en un endroit du réservoir exclusivement occupé par de la phase ga- zeuse, afin d'éviter toute perte de liquide. On a déjà envisagé de nombreuses solutions pour réaliser la séparation de phases gazeuse et liquide en milieu d'apesanteur. Aucune toutefois ne donne entièrement satisfac- tion. Dans certains cas, on crée un champ de forces par des moyens mécaniques qui entraînent le fluide dans un mouvement de rotation ou de translation. Les dispositifs utilisés ont linconvénient de comporter des pièces mécaniques en dépla- cement qui exigent une consommation d'énergie et dont le fonctionnement est difficile à contrôler avec précision. De plus, ils ne se prgtent guère au traitement d'un fluide qui est susceptible d'8tre constitué en pratique de liquide exclusivement, comme il advient souvent dans l'application à la mise à l'atmosphère de réservoirs de liquide cryogé- nique. Dans d'autres cas, on assure un échange de chaleur entre deux courants de fluide, dont l'un est soumis préa- lablement à une détente, l'autre étant soit entra né par une pompe soit directement constitué par le fluide du réservoir, que l'on refroidit à travers les parois de ce dernier. Le traitement convient alors aussi bien à des mé- langes biphasiques qu'à des fluides essentiellement à l'état liquide, mais l'on rencontre de graves problèmes de construc- tion dans la réalisation des échangeurs thermiques, qui doi- vent Ètre intégrés dans des réservoirs conçus spécialement à cet effet. On a aussi prévu d'exploiter les propriétés de tension de surface pour piéger le liquide par capillarité dans des tubes microporeux. On n'a pas pu éviter dans ce cas d'avoir à apporter de l'énergie extérieure à une pompe de reprise du liquide, et d'autre part les dispositifs néces- saires sont lourds et encombrants lorsque la quantité de fluide à traiter est importante. Enfin, on a pensé assurer la séparation des phases par des champs de forces de type électrique ou magnétique. L'emploi d'un courant à haute ten- sion pose dans ce cas aussi des problèmes délicats de cons- truction, et comme dans les cas précédents,le fonctionnement est encore tributaire d'un apport d'énergie extérieure qui est loin d'être négligeable. La présente invention permet de s'affranchir des inconvénients des solutions antérieurement connues. Elle permet de réaliser la séparation des phases gazeuse et liquide au moyen d'un dispositif de faible masse, peu encombrant et facile à mettre en place dans les réservoirs -de liquide pour véhicules spatiaux, sans construction parti- culière de ces derniers. Et, au moins lorsque les codditions sont favorables, elle permet un fonctionnement sans aucune pièce mécanique en mouvement et sans apport énergétique exté- rieur. Enfin le procédé qu'elle propose a l'avantage de pou- voir s'adapter facilement au traitement de toutes sortes de fluides, quelles que soient les conditions de fonctionnement parmi celles que l'on rencontre habituellement dans les applications spatiales. Dans ce but, l'invention repose essentiellement sur la formation d'un vortex et sur l'utilisation des forces cen- trifuges auxquelles est soumis le fluide entralné en rotation dans ce vortex pour assurer la séparation entre la phase liquide et la phase gazeuse. Elle repose en outre sur une utilisation optimale, dans des conditions d'apesanteur, de l'énergie fournie par la détente du fluide lors de son injection dans le vortex, cette énergie servant à assurer la séparation des phases liquide et gazeuse et la recompression de la phase liguide jusqu'à une pression suffisante pour permettre le cas échéant sa réinjection dans le réservoir d'o le fluide a été prélevé. En ceci, l'invention se distingue des autres emplois que l'on a pu faire des vortex, dans des appareils du genre des séparateurs cyclones, dans lesquels les effets centrifuges ne sont jamais qu'une aide dans un processus de séparation qui a lieu essentiellement sous l'action des phénomènes de gravité. L'invention a ainsi pour objet un procédé de trai- tement d'un fluide en vue d'en extraire unepphase gazeuse, sui- vant lequel on provoque une détente du fluide en l'injectant tangentiellement dans une chambre de section circulaire o sa rotation provoque la séparation d'une phase gazeuse et d'une phase liquide par effet centrifuge, et l'on extrait la phase gazeuse de la partie centrale de la chambre, caractérisé en ce que l'injection du fluide dans la chambre est effectuée dans une zone annulaire intermédiaire entre l'axe de la chambre et la périphérie, en ce que l'on extrait la phase liquide de ladite chambre à cette périphérie, et en ce que l'on imprime au fluide injecté une vitesse suffisante pour que par l'effet centrifuge sur l'épaisseur de liquide en rotation entre'ladite zone annulaire et la périphérie de la chambre, la pression atteigne à la périphérie une valeur au moins égale à la pression du fluide avant l'injection. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, l'invention a aussi pour objet un dispositif de traitement d'un fluide qui se caractérise en ce qulil comporte une chambre de section circulaire pourvue d'un conduit d'extraction d'une phase ga- zeuse hors d'use partie centrale de la chambre, au moins une tuyère d'injection du fluide dans une zone annulaire intermédiaire entre l'axe de la chambre et sa périphérie, et à cette périphérie au moins un orifice de sortie d'une phase liquide séparée et comprimée par effet centrifuge dans la chambre. Le procédé et le dispositif selon l'invention peuvent @tre utilisés avec avantage dans de nombreuses applications impliquant une séparation entre phase liquide et phase gazeuse, et spécialement dans les applications du domaine spatie. o cette séparation doit s'effectuer en milieu d'apesanteur. Le fluide traité peut etre un mélange biphasinue liquide-gaz duquel on cherche à éliminer la phase gazeuse, malgré l'ab- sence d'une surface de séparation gaz-vapeur en régime d'a- pesanteur, ou un mélange biphasique dont on cherche au con- traire à éliminer la phase liquide pour utiliser la phase gazeuse uniquement dans la propulsion. Mais Le procédé et le dispositif selon l'invention ont aussi parmi leurs avantages celui de permettre le traitement d'un fluide se trouvant essentiellement, ou même entièrement, à l'état liquide, la phase gazeuse étant alors produite dans la chambre du dispo- sitif, parla détente du liquide à l'injection. Ainsi, l'une des applications préférées de l'inven- tion concerne la mise à l'atmosphère de réservoirs de liquides en milieu d'apesanteur, tels que les réservoirs de liquides cryogéniques devant être emmenés dans les véhicules spatiaux. On peut alors contrôler la pression dans ce genre de ré- servoirs sans aucune perte de liquide, en utilisant un dis- positif selon l'invention, immergé dans le réservoir, de manière à prélever dans la masse de liquide le fluide admis à l'injection et à renvoyer dans cette m9me masse la phase liquide sortant à la périphérie de la chambre, le conduit d'extraction de phase gazeuse débouchant à l'extérieur du réservoir. Il est souvent avantageux, en particulier dans cette application, d'utiliser un dispositif selon l'invention fonc- tionnant entièrement d'une manière passive, sans pièces en mouvement, dans lecuel la vitesse suffisante pour comprimer le fluide en rotation à une pression de sortie au moins égale à la pression du fluide à l'entrée, est obtenue exclu- sivement par la détente de ce fluide iors de l'injection. On peut cependant réaliser de cette manière des différences de pressions très variables entre le fluide traité ou la masse de liquide dans laquelle il est prélevé et d'autre part la phase gazeuse à l'atmosphère, par exemple comprises entre 0,1 et 20 bars, encore que l'on préfère des différences de pressions restant dans le domaine de 0,2 à 5 bars. Pour des fluides à traiter se trouvant essentiellement à l'état liquide et conduisant après détente à un mélange biphasique o le taux de phase gazeuse est relativement faible, par exemple de l'ordre de 0,1 à 15 % en masse, on peut utiliser avec inté- rêt un dispositif selon l'invention dans lequel, suivant un mode de réalisation préféré, le rayon de la périphérie de la chambre et celui de la zone annulaire o s'effectue l'injection font entre eux un rapport compris entre 1,5 et 7, et de préf6- rence entre 1,7 et 5. Mais dans d'autres modes de mise en oeuvre de l'in- vention, on peut aussi prévoir d'augmenter la vitesse de ro- tation du mélange biphasique dans la chambre de séparation par des moyens autres que la détente, notamment par l'injection d'un gaz non condensable amené dans la zone annulaire sous une pression supérieure à celle du fluide, ou par entraînement mé- canique par une roue tounant en position excentrée dans la chambre de séparation; dans ce dernierrcas, l'admiâsion du fluide peut 8tre pratiquée sans détente è l'injection, l'en- tratnement de la roue ayant lieu par l'intermédiaire de la différence de pression régnant entre l'entrée du fluide et la sortie du gaz. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description que l'on donnera main- tenant de certains de ses modes de réalisation préférés, choq'- sis àt titre d'exemples non limitatifs, et illustrés par les figures 1 à 7 des dessins annexés dans lesquels t La figure 1 montre schématiquement un réservoir de liquide cryogénique équipé d'un dispositif séparateur de phases selon l'invention; La figure 2 représente, selon une vue en coupe longitudinale partielle, un dispositif selon l'invention dans le mode de réalisation correspond3it à celui de la figure 1; La figure 3 représente schématiquement, en vue de dessus et coupe schématique partielle, ledispositif déjà illustré par la figure 2; La figure 4 montre un dispositif séparateur de pha- ses selon l'invention, dans un second mode de réalisation, vu en coupe transversale partielle; La figure 5 représente schématiquement le dispo- sitif de la figure 4, vu de dessus en coupe transversale par- tielle; La figure 6 se rapporte à un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, qu'elle repré- sente schématiquement en coupe transversale partielle; et La figure 7 représente en vue de dessus et coupe transversale partielle le dispositif de la figure 6. Dans les différents modes de réalisation choisis à titre d'exemples, le dispositif selon l'invention est destiné à constituer un séparateur de phases dans un réser- voir de liquides cryogéniques utilisé en milieu spatial, pour permettre d'assurer la mise à l'atmosphère de ce réservoir en l'absence de tout champ de pesanteur. Sur la figure 1 on a représenté un tel réservoir, qui est supposé contenir un fluide cryogénique pratiquement en totalité à l'état liquide. En fait ce liquide peut éven- tuellement contenir une faible proportion de phase gazeuse, mais en milieu d'apesanteur cette dernière reste répartie sous forme diffuse dans l'ensemble de la masse liquide. Le sépara- teur de phases 2 est immergé dans cette masse liquide o il est monté à l'intérieur du réservoir 1 par l'intermédiaire d'un dispositif de fixation quelconque 3. Il communique avec l'extérieur à travers les parois du réservoir, par la seule conduite de mise à l'atmosphère 4. Naturellement l'orien- tation qui a été choisie pour la position verticale sur la figure 1 n'a en pratique aucune incidence sur le fonctiona- nement en milieu d'apesanteur. Le séparateur 2 est constitué comme il apparaît d'une manière plus précise sur les figures 2 et 3. Il comprend un bottier 5 qui délimite une chambre interne de 6 de forme cylindrique. La chambre 6 communique avec l'extérieur par trois voies. Deux d'entre elles s'ouvrent à l'extérieur dans la masse de liquide o le dispositif est im- mergé: un conduit d'admission du fluide à traiter 7 et un conduit 8 pour la réinjection de la phase liquide séparée. La troisième est matérialisée par un tube 9 qui est raccordé à la conduite 4 de mise à l'atmosphère. Le conduit 7 est monté en biais sur la face supérieure du bottier 5 et il forme in- térieurement une tuyère 11 qui débouche par le dessus dans la chambre 6, dans une zone de cette chambre intermédiaire entre le centre et la périphérie, à une distance de l'axe que l'on a fait apparaître sur la figure 3 sous le symbole ro. De plus la tuyère est orientée. tangentiellement au cercle de rayon ro au point d'injection. En fonctionnement, le fluide à traiter est prélevé de la masse liquide du réservoir par le conduit 7 et injecté par la tuyère 11 dans la chambre 6. Il subit de ce fait une détente isentropique, avec vaporisation partielle. L'admisssion tangentielle provoque sa mise en rotation dans la chambre 6, avec une vitesse qui dépend de la construction de la tuyère et de la différence entre les pressions avant et après la détente à l'injection. En raison de cette rotation, le mélange bi-phasique résultant de la détente est soumis à des forces centrifuges qui ont pour effet de séparer la phase liquide de la phase gazeuse, en rejetant la phase liquide vers la paroi périphérique 12 de la chambre, tandis que la phase gazeuse se rassemble dans la partie centrale 13. La phase ga- zeuse est évacuée de la partie centrale 13 de la chambre 6 par le tube 9. Ce dernier est disposé suivant l'axe du sépa- rateur et il s'ouvre à son extrémité à l'intérieur de la cham- bre. La phase liquide sort d'aûtre part de la chambre à sa périphérie par un orifice 14 percé dans la paroi 12. La cham- bre 6 communique par là avec le conduit 8, qui s'en éloigne tangentiellement dans le sens de circulation imposé par l'in- jection du fluide. La phase liquide retourne par le conduit 8 dans la masse du réservoir. Le conduit 8 est muni d'un clapet qui emp9che que la circulation puisse avoir lieu en sens inverse lors du démarrage du fonctionnement. a La conception du séparateur de phases permet, en fonctionnement, de prélever sur l'énergie libérée par la détente du fluide celle qui est utilisée pour imprimer la vitesse de rotation au mélange biphasique obtenu après déten- te mais aussi pour recomprimer la fraction séparée à l'état liquide jusqu'à une pression de sortie de la phase liquide qui soit au moins égale à celle du fluide dans le réservoir. Ceci est obtenu gràce au gradient de pression apparaissant dans l'épaisseur de liquide en rotation autour de la chambre, en laissant la place pour une épaisseur de liquide suffisante entre la zone d'injection du fluide (sortie de la tuyère 11) et en assurant une vitesse de rotation suffisante. Dans un séparateur entièrement passif tel que celui qui vient d'ttre décrit, la vitesse de rotation est imposée par la construction de la tuyère pour une chute de pression déterminée de la pres- sion P du réservoir à la pression p de la phase gazeuse mise à l'atmosphère. Au facteur de rendement près, on a P-p =1/2 p V2 o en désignantpar V la vitesse initiale du mélange à la sortie de la tuyère et par sa densité. Mais d'autre part, l'augmen- tation de charge du liquide supposé occuper l'épaisseur entre le point d'injection et la périphérie peut ttre calculée par l'équation AP = r = pV2 1 R o: R est le rayon de la paroi périphérique de la chambre cylindrique, ra est le rayon au point d'injection, est la densité du liquide, V est la vitesse du liquide, dans sa composante tangentielle. Ceci conduit en pratique, dans l'exemple particulier d'application considéré ici, à construire le séparateur de sorte que R/ra soit supérieur à 1,73, et plus particulièrement compris entre 5 et 2, l'angle d'inclinaison de la tuyère d'inâ jection par rapport au plan de section droite de la chambre cylindrique étant compris entre 10 et 20 degrés. Le séparateur de cet exemple convient pour être utilisé dans un réservoir d'hydrogène ou d'oxygène liquide sous une pression de 0,6 & 1,5 bar. Avec une chute de pression de 0,5 bar dans le sé- parateur, si l'on considère que le fluide est entièrement li- quide à l'admission à la tuyère et que la détente est isentro- piaue, la fraction de vapeur produite peut être estimée à 3,5 % en masse. Exemple de dimensionnement, pour un débit d'hydrogène vapeur de 0,03 Kg/s s diamètre de col de la tuyère d = 26 mm hauteur de la chambre cylindrique h = 0,07 m rayon à la périphérie: R 0,08 m rayon au point d'injection: r = 0,02 m Une variante de mise en oeuvre du dispositif selon l'invention, dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, consiste à injecter en outre dans le séparateur un gaz non condensable admis sous une pression supérieure à celle du réservoir, depuis l'extérieur de celui-ci, de manière à augmenter la vitesse de rotation du liquide dans le séparas. teur, an même temps que l'on augmente la proportion de la phase gazeuse. On a prévu à cet effet sur les dessins des figures 2 et 3, un tube 17 dans l'axe du conduit 7, pour l'injection du gaz non condensable. A titre d'exemple, on peut l'utiliser pour injecter de l'hélium à la vitesse du son. Un faible débit de ce gaz non condensable, de l'ordre de par exemple 1 à 5 % en masse du débit gazeux évacué par le séparateur, peut ttre utile pour compenser les pertes d'énergie qui peuvent avoir lieu notamment par frottement dans le sépa- rateur, et la recondensation partielle éventuelle de la vapeur de la phase gazeuse. Un mode de réalisation plus élaboré du séparateur de phases selon l'invention est illustré sur les figures 4 et 5. Il reste conforme au précédent dans l'essentiel de sa conception et dans les principes du fonctionnement. On y retrouve donc en particulier une chambre de séparation des phases 20, de forme cylindrique, limitée par deux faces circulaires 21 et 22 et une paroi périphérique cylindri- que 23. On y retrouve aussi un tube 24 pour l'évacuation de la phase gazeuse, qui est disposé selon l'axe du séparateur, pénètre dans la chambre 20 et s'ouvre dans la partie centrale de celle-ci par des lumières 25. Pour l'admission du fluide prélevé dans le réservoir, le séparateur des figures 4 et 5 comporte plusieurs tuyères qui débouchent toutes tangen- tiellement.dans une même zone annulaire de la chambre 20 et sont orientées pour y favoriser le même sens de rotation du mélange biphasique produit à l'injection. Cn a ainsi re- présenté quatre tuyères 26. Elles sont constituées par des conduits ménagés à travers un disque 27, disposé dans la partie médiane de la chambre 20, entre les faces 21 et 22. La centrifugation du liquide se produit dans la chambre 20 de part et d'autre du disque 27. A la périphérie de la cham- bre, la paroi 23 comporte pour la sortie du liquide des ori- fices 28, de chaque côté du disque 27, munis de clapets de non-retour. Pour favoriser une bonne répartition du fluide entre les deux faces du disque 27, les conduits qui cons- tituent les tuyères 26 sont légèrement inclinés à travers le disque 27, tantôt vers le haut, tantôt vers le bas, depuis l'o- rifice d'entrée 30 à la traversée de la paroi cylindrique 23 jusqu'à la buse de sortie 31, débouchant dans le vide de la zone annulaire d'injection et la partie centrale de la cham- bre, le disque 27 étant en fait en forme de couronne annulaire et creux en son centre. Le mode de réalisation des figures 6 et 7 illustre un autre moyen d'assurer la vitesse de rotation dans le sé- parateur, à l'aide d'une roue tournante. Le séparateur comporte une chambre 31, de même forme cylindrique que les précédents, avec comme celui des figures 2 et 3, une conduite 32 pour l'admission du fluide prélevé du réservoir, par une tuyère débouchant à travers l'une des faces circulaires planes 33 limitant la chambre, et pour la réinjection du liquide séparé, un orifice 34 à travers la paroi périphérique 35 de la chambre, prolongé par un conduit tangentiel muni d'un clapet 36s Par contre, c'est un tube 37 déporté par rapport à l'axe du séparateur qui assure l'évacua- tion de la phase gazeuse hors de la partie centrale de la chambre 31. A l'intérieur de la chambre se trouve, en posi- tion excentrée, une roue 38, à ailettes 39, montée rotative sur son axe dans les faces 33 et 40. En fonctionnement, la roue 38 est entratnée par l'effet de détente produit entre la zone o le pourtour de la roue 38 est rapproché de la paroi 35 et celle o il en est éloigné. La roue entratne alors elle-m8me le liquide et augmente sur 1 1 lui l'effet centrifuge et l'augmentation et charge de l'in- terface gaz-liquide à la périphérie de la chambre. En variante de cette réalisation la roue 38 pour- rait 9tre excentrée ou non, et mue par un moteur, demandant alors un approvisionnement en énergie de ltextérieur. Bien d'autres variantes pourraient encore être apportées aux réalisations particulières décrites ci-dessus à titre d'exemples, tout en restant dans le cadre de l'inven- tion. 1 2 R E V E N D I C A T I 0 N. 5 1. Procédé de traitement d'un fluide en vue d'en extraite une phase gazeuse, suivant lequel on provoque une détente du fluide en l'injectant tangentiellement dans une chambre de section circulaire o sa rotation provoque la séparation d'une phase gazeuse et une phase liquide par effet centri- fuge, et Von extrait la phase gazeuse d'une partie centrale de la chambre, caractérisé en ce que l'injection du fluide dans la chambre est effectuée dans une zone annulaire intermédiaire entre l'axe de la chambre et la périphérie, en ce que l'on extrait la phase liquide de ladite chambre à cette périphérie, et en ce que l'on imprime au fluide in- jecté une vitesse suffisanteppour que par l'effet centrifuge sur l'épaisseur de liquide en rotation entre ladite zone annulaire et la périphérie de la chambre, la pression atteigne à la périphérie une valeur au moins égale à la pression du fluide avant l'injection. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'injection dans ladite zone annulaire d'un gaz non condensable augmentant la vitesse de rotation du fluide. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on augmente en outre la vitesse du fluide injecté par entrainement mécanique. 4. Dispositif de traitement d'un fluide pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre (6,20,31) de section circulaire, pourvue d'un conduit (9,24,37) d'extraction d'une phase gazeuse hors d'une partie centrale de la chambre, au moins une tuyère (11) d'injection du fluide dans une zone annulaire intermédiaire entre l'axe de la chambre et sa périphérie, et à cette périphérie au moins un orifice (14,28,34) de sortie d'une phase liquide séparée et comprimée par effet centrifuge dans la chambre. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de prélèvement du fluide dans un réservoir de fluide en milieu d'apesanteur et des moyens de réinjection de ladite phase liquide dans le même réservoir(1). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il est immergé dans un réservoir de liquide en milieu d'apesanteur dans lequel s'ouvrent ladite tuyère pour y prélever du fluide et ledit orifice de sortie de phase liquide, tandis que le conduit d'extraction de phase gazeuse débouche à l'extérieur du réservoir. 7. Dispositif selon l'unequelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs tuyères d'in- jection de fluide (26) ménagées à travers un disque annu- laire (27) déposé dans la partie médiane de la chambre (20) et plusieurs orifices de sortie de liquide (28) à travers la paroi périphérique (23) de la chambre, répartis de part et d'autre du disque (27). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une roue (38) d'en- trainement du liquide, montée rotative en position excentrée dans la chambre (31).