Brevet FR2506400A1 — publié le 19821126

La présente invention concerne un procédé et une installation de transfert par pompe d'un liquide cry génique à partir d'un réservoir de stockage. Le transfert par pompe de liquide cryogénique implique que le liquide cryogénique soit, à l'aspiration de la pompe, qui a été préalablement refroidie à la température de ce liquide, à une pression quelque peu supé- rieure à la tension de vapeur du liquide, sinon il se produit dans le corps de pompe, des phénomènes de vaporisation ayant comme conséquence une usure prématurée par cavitation, qui peut même conduire à la destruction d'organes essentiels de la pompe.Cette différence entre la pression effective et la tension de vapeur de liquide à l'aspiration de la pompe est une caractéristique intrinsèque de la pompe et est appelée la "hauteur pratique de charge absolue, mais on emploie de façon plus usuelle l'abréviation anglo-saxonne NPSH (',net positive suction head1,) et c'est cette dernière expression que l'on utilise dans ce qu suit. Sa dtautres termes, Il faut que le NFSII(L) du liquide parvenant à l'aspir & ion de la pompe soit toujours supérieur au NPSH(p, caractéristique constructive de la pompe.En fait, cette pression excédentaire du liquide cryogénique par rapport à sa tension de vapeur correspond pour chaque tension de vapeur à un sous-refroidissement du liquidspar rapport à sa température d'équilibre pour ladite tension de vapeur, de sorte qu'on exprime aussi la valeur du RPSE en degrés centigrades. On a déjà proposé de procéder à diverses mesures soit de pression, soit de température du liquide, à l'en- trée de la pompe, mais celles-ci ne permettent en aucun cas de déterminer le NPSH(X) du liquide à l'aspiration, puisqu'on ne connait pas alors sa tension de vapeur1 ou sa température d'équilibre, qui dépend de divers autres facteurs qu'on examinera plus loin.Ce sont ces raisons qui font que, jusqu'à maintenant, on s'est contenté de procé der au transfert de liquide cryogénique par voie manuelle en se fiant entièrement à l'initiative et à l'expérience d'un opérateur, ce qui, en général, conduit, pour des raisons de sécurité opérationnelle, à accroître le temps de mise en froid de la pompe (d'où perte de temps et de liqul de cvygénique) et à faire monter la pression de stockage de façon à dépasser largement la pression excédentaire requise (d'où pertes thermiques et de fluide de mise en pression), à défaut de quoi on risque une détérioration peut être irrémédiable de la pompe.On a bien proposé de procéder par voie automatique en mettant en oeuvre des horloges et des pressostats, qui tentent de palier, de façon tout à fait empirique et Jusqu'à maintenant inefficace, l'incapacité où l'on se trouve de déterminer le NPSH(X. L'objet de l'invention est de résoudre le problème toujours actuel et sans cesse posé du transfert par pompe de liquide cryogénique d'un réservoir de stockage incorporant une phase liquide en présence d'une phase vapeur sous pression, selon lequel on transfert un courant dudit liquide prélevé en cuve dudit réservoir par pompe cryogénique refoulant dans une canalisation de distribution, avec renvoi dans ladite phase vapeur de réservoir des évaporations produites au cours de la mise en froid et/ou du transfert, avec, si besoin est, accroissement artificiel de la pression de la phase vapeur par introduction régulée d'un gaz, et où une mise en froid des moyens de transfert et de la pompe est assurée par envoi.de liquide cryogénique prélevé du réservoir vers la pompe à l'état inopératif. La solution de ce problème a été imaginée lorsqu'on a considéré les nombreux facteurs qui déterminent la valeur du NPSH(L) du liquide à l'entrée de la pompe, et dont les principaux sont - la dénivellation entre le niveau de liquide dans le ré servoir et le niveau à l'aspiration de la pompe, le NP(L) étant d'autant plus important que cette dénivel letion est importante ;; - la pression de la phase gazeuse qui s'ajoute à la déni vellation - la perte de charge dans la canalisation de transfert vers la pompe qui, au contraire, diminue d'autant le NPSH (L ) - la vitesse d'écoulement du fluide dans la canalisation de transfert aui, également, tend à diminuer le NPSH(L) - enfin le flux thermique provenant de l'extérieur et in tercepté par le liquide dans la canalisation de transfert tend également - en réchauffant le liquide, donc en aug mentant sa tension de vapeur - à réduire le NPSH(L. Il résulte de ce rapide examen des principaux facteurs influençant le NPSH(L) qu'il ne serait pas raisonnable, ce qui vient à priori à ltesprit, de tenter de déterminer le NPSHL) par mesure de la pression ou tempéra ture d'équilibre au niveau de l' nterface liquide-vapeur dans le réservoir, car il faudrait alors apporter de nombreux correctifs à la valeur ainsi mesurée, qui dépendraient de la vitesse d'écoulement, de la qualité d'isolation et de la longueur de la canalisation, ce qui, à coup sûr, prohibe une telle façon de faire et cela d'autant plus que le NPSH(p) requis par une pompe, exprimé en dégrés centigrades, et cui, on l'a vu, dépend de la pompe, est faible, généralement entre 20C et 50C, en sorte que lton ne pourrait pas ainsi assurer une précision suffisante par de telles corrections. Un des mérites de l'invention est, partant de ces considérations, d'avoir imaginé une solution simple et radicale pour la détermination du NPSH(L) et par voie de conséquence un mode opératoire assuré de la pompe cryogénique. Selon l'invention, on procède eux étapes suiventes a) On ménage une première sonde thermemétrique au voisinage immédiat de l'aspiration de la pompe et une seconde sonde thermométrique en bas d'un boîtier à clapet de re constitution d'un état d'équilibre licuide-vPpeur à par tir de liquide prélevé dudit réservoir b) On aménage des structures d'écoulement de liquide cryo génique vers les dites sondes assurant une différenti & tion des vitesses de refroidissement à l'endroit des-di tes sondes c) On détecte la fin de mise en froid par l'égalité subs tantielle des températures du liquide cryogénique des dites première et seconde sondes d) On provoque une mise en opération de ladite pompe, et l'on maintient ladite opération seulement si une diffé rence apparat, après un bref laps de temps, entre les températures des première et seconde sondes, qui est su périeure à la "hauteur pratique de charge absolue" (ou NPSEI) de ladite pompe, sinon on provoque l'arrêt de 1 & dite pompe e) On surveille en permanence la bonne opération de la pom pe par la valeur de l'écart entre les températures des dites première et seconde sondes, que l'on maintient le cas échéant au-dessus de ladite "hauteur pratique de charge absolue" (ou NPSH) de la pompe par des accroisse ments artificiels de la pression de ladite phase gazeuse. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui suit en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de pompage selon l'invention - la figure 2 est un diagramme explicatif pression -(ordon née)- température (abscisse). En se référant d'abord à la figure 1, une installation de pompage d'un liquide cryogénique comprend, au voisinage d'un réservoir 1, une pompe pour liquide cryogénique 2 raccordée, côté aspiration 3, par une canalisation 4 à vanne 5 à un embout de soutirage 6 ménagé au fond du réservoir 1 et, côté refoulement 7 à une canalisation de distribution 8 à capacité anti-pulsatoire 9 et clapet anti retour 10. Une telle pompe pour liquide cryogénique 2 est associée à des moyens de dégazage. Dans le cas particulier décrit au dessin, où il s'agit d'une Dmpe centrifuge de fort débit, donc à forte inertie thermique et à dégagement thermique non négligeable en cours de fonctionnement, on a prévu simplement de réaliser un tronçon terminal 4a de la canalisation d'aspiration 4, ouq est de longueur la plus faible possible et qui aboutit à l'aspiration 3 de la pompe 2, avec une légère pente descendante vers l'aval, alors que le tronçon restant 4b de la canalisation 4 qui aboutit au réservoir 1 est horizontal, ou bien avec une pente descendante vers l'amont. On a ainsi créé, à la jonction des tronçons 4a et 4b un point "haut" 12 au regard au circuit basse pression de pompage incorporant la canalisation 4 et une partie du corps de pompe 2, qui exclut la partie haute pression. A ce point "haut" 12, on a branché une conduite de dégazage 13 à vanne 14 raccordée à une zone haute 15 du réservoir 1. De façon classique, également, on a prévu, le cas échéant, un circuit de mise en pression rapide comprenant une conduite de soutirage 16, incorporant un serpentin réchauffeur 17 et une vanne 18, et raccordée, à une extrémité, à un embout de soutirage 19 ménagé dans le réservoir 1 et, à l'autre extrémité, à la zone haute 15 du réservoir 1. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on a adjoint à l'installation qui vient entre décrite deux moyens de mesure - Le premier moyen de mesure consiste simplement en une première sonde thermométrique 21 placée au voisinage immédiat, mais coté amont, ou aspiration 3, de la pompe 2. - Le second moyen de mesure consiste en une seconde sonde thermométrique 22 placée en un point bas d'un clapet 23 à flotteur 24 et pointeau 25 coopérant à fermeture avec un orifice de décharge "haut' 26, le clapet 23 étant branché caté bas, par une conduite de prélèvement liqui- de de faible hauteur 27 à siphon 28, en un point 29 voi sin de l'aspiration 3 de la pompe 2 et, côté haut, à une conduite d'échappement gazeux 30, débouchant dans l'en- droit de l'orifice 26 à conduite de dégazage 13 en aval de la vanne 14. On voit que la sonde thermométrique 21 mesure le température instantanée du liquide cryogénique parvenant à l'aspiration 3 de la pompe 2, alors que la sonde thermométrique 22 mesure, au niveau du clapet 23 (où grâce au flotteur 24 à pointeau 25, on crée en fin de la mise en froid artificiellement un état d'équilibre entre liquide et vapeur) la température d'équilibre du liquide cryogénique parvenant à l'aspiration 3 de la pompe 2, avec sa vapeur, sous une pression seulement à peine inférieure à celle du liquide parvenant à l'aspiration. En se référant également à la figure 2, on rappelle maintenant le processus opératoire qu'il convient de suivre et on détaillera plus loin les moyens de régulation qui permettent de la réaliser. La mise en froid de l'installation de pompage initialement à la température ambiante se fait, la pompe 2 étant inactive, en ouvrant à la fois la vanne liquide 5 et la vanne de dégazage 14. Du liquide cryogénique prélevé de la phase liquide (L) du réservoir 1 circule par gravité vers la pompe 2 et y parvient en provoquant, surtout au début de l'opération, un dégazage important dû à une ébullition intense, qui dépend essentiellement des masses thermiques à porter à basse température et qui comprennent essentiellement la canalisation 4 et la pompe 2. La vapeur ainsi produite soue forme de bulles s'écoule vers la conduite de dégazage 13 et de là dans le réservoir 1, o elle rejoint la fraction vapeur (V) du réservoir 1. Les températures T1 de la sonde 21 et T2 de la sonde 22 chutent, mais avec des vitesses oui sont délibérément différentiées.Ainsi, on comprend que dans la réalisation décrite, la température T1 mesurée par la sonde 21 chute nettement plus rapidement que la temperature T2, car cette dernière est située-- du point de vue thermique - en bout d'une conduite de prélèvement liquide, qui n'est pratiquement alimentée en liquide que lorsque l'essentiel de 12 phase de mise en froid est opérée, et la température au niveau bas du clapet 23 chute de façon décisive seulement lorsou'un niveau liquide stable s'établit dans ce clapet 23. A ce moment, l'ensemble du dispositif de pompage est mis en froid et le dégazage se trouve considérablement réduit, mais persiste quelque peu pour simplement compenser le flux thermique externe intercepté par la pompe et ses conduits d'alimentation et de refoulement. Cette situation d'équilibre est détectée par le fait que la température d'équilibre liquide-vapeur T(2) mesurée par la sonde 22 a pris une valeur T2 (o) qui est substantiellement égale à la valeur T1 (0) mesurée par la sonde 21, puisque le liquide cryogénique dans la canalisation 4 est également en ébullition, donc pratiquement en équilibre thermique, avec sa vapeur. Les deux valeurs, notées sur le diagramme de la figure 2, sont très légèrement différentes, du fait de la faible dénivellation1h'entre les sondes 22 et 21. Il y a lieu de noter que ces valeurs T1 (o) et T2 (o) sont supérieures à la valeur To de la température du liquide cryogénique au voisinage de l'interface (N) entre la phase liquide (L) et la phase vapeur (V) dans le réservoir 1.La différence que l'on peut constater entre cette valeur T0 et T1 (0) d'une part, To et T2 (O) d'autre part, résulte de la dénivellation entre le niveau () et la sonde 21 ou entre le niveau (N) et la sonde 22. Mais quelle que soit la dénivellation "ho", on peut en tenir compte dans un pré-réglage des sondes de mesure pour éliminer un tel faible écart de mesure entre T1 (o) et T2 (o) à la fin de la mise en froid de l'installation de pompage. Une fois détectée cette égalité pratique des températures T1 (0) et T2 (O) la pompe 2 est mise en fonctionnement, ce qui a pour effet de faire apparaître un certain écart de température entre les températures mesurées par les sondes 21 et 22. En effet, si la température T2 (O) mesurée par la sonde 22 reste sensiblement constante, dans la mesure où la pression Po de la phase vapeur (V) du réservoir 1 est elle-même constante, au contraire la température T1 (o) mesurée par la sonde 21 chute nettement, car le liquide cryogénique prélevé au fond du réservoir 1 est normalement quelque peu sous-refroidi par rapport à la température Tg au niveau de l'interface liquide-vapeur (N), du fait de l'existence d'un gradient thermique entre le fluide au fond et à la surface de la phase liquide (L), le cas échéant renforcé transitoirement par une mise en pression plus élevée par le circuit auxiliaire de mise en pression rapide 16. Si les conditions du sous-refrcidissement naturel, ou artificiellement provoqué, du liquide prélevé en 6 hors du réservoir 1, d'aillNeurs quelque peu diminuées par les pertes de charges(t P) subies dans la canalisation d'aspiration 4, sont telles que l'écart de températures iit entre la température T2 (O) et la température "dynamique" T1 (d) à l'aspiration de la pompe 2, à la fin d'une brève période transitoire de rééquilibrage, est supérieure à la valeur requise du (p) de la pompe 2, la pompe 2 peut continuer à fonctionner, sinon elle doit s'arrêter et les conditions de son fonctionnement doivent erre réexaminées. Dans les cas où un début de fonctionnement correct de la pompe est confirmé, on continue de détecter, dans le temps, l'écart de températures entre T2 (omet T1 (d) et si cet écart tend à se réduire, ce qui est normal ne serait-ce par la réduction de pression due à la diminution de la hauteur hydros tatique H du liquide dans le réservoir, passage de M2 (0) à M'2 (o) et Mî (d) à M'1 (d), on rétablit cet écart minimal de températures par la mise en service du dispositif de surpression rapide 16 (ouverture de la vanne 18), ce qui a pour effet d'accroître la pression Po (passage de M'2 (0) à M"2 (0) et M'1 (d) à M"1 (d), de sorte que les pressions et température d'équilibre dans le clapet 24 sont corrélativement accrues, l'écart des températures entre T"2 (0) et T1 (d) restent maintenues à une valeur supérieure au NPSH requis par la pompe). REVENDICATIONS 1. - Procédé de transfert de liquide cryogénique d'un réservoir de stockage (1) incorporant une phase liqui- de (L) en présence d'une phase vapeur sous pression (V), selon lequel on transfert un courant dudit liquide prélevé (6) en cuve dudit réservoir (1), vers une pompe cryogénique (2), refoulant dans une canalisation de distribution (8), avec renvoi (13-14) dans ladite phase vapeur (V) de réservoir des évaporations produites au cours de la mise en froid et/ou du transfert, avec, si besoin est, accroissement artificiel (en 16-17-18) de la pression de la phase vapeur (V) par introduction régulée d'un gaz, et où une mise en froid des moyens de transfert et de la pompe est assurée par envoi de liquide cryogénique prélevé du réservoir (1) vers la pompe (2) à l'état inopératif, caractérisé par les dispositions et étapes opératoires suivantes a) On ménage une première sonde thermométrique (21) au voi sinage immédiat de l'aspiration de la pompe (2) et une seconde sonde thermométrique (22) en bas d'un boiter à clapet (23) de reconstitution d'un état d'équilibre li quide-vapeur à partir de liquide prélevé dudit réservoir (i) b) On aménage des structures (4-4a-4b-28-27) d'écoulement de liquide cryogénique vers lesdites sondes (21-22) as surant une différentiation des vitesses de refroidisse ment à l'endroit des dites sondes (21-22) c) on détecte la fin de mise en froid par légalité subs tantielle des températures du liquide cryogénique des dites première et seconde sondes (21-22) d) On provoque une mise en opération de ladite pompe (2) et l'on maintient. ladite opération seulement si une dif férence apparat, après un bref laps de temps, entre les températures des première et seconde sondes (21-22), qui est supérieure à la "hauteur pratique de charge absolue" (ou NPSH) de ladite pompe (2), sinon on provoque l'arrêt de ladite pompe e) On surveille en permanence la bonne opération de la pompe par la valeur de l'écart entre les températures des dites première et seconde sondes (21-22) que l'on maintient le cas échéant au-dessus de ladite hauteur pratique de charge absolue" (ou NPSH) par des accrois sements artificiels de la pression de ladite phase ga zeuse. 2. - Procédé de transfert selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure d'écoulement du li quide cryogénique vers la seconde sonde (22) est conçue pour assurer un refroidissement de ladite seconde sonde (22) plus lent que la première sonde (21). 3. - Procédé de transfert selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement plus lente de la seconde sonde (22) est assurée par un trajet (4-28-27) du liquide cryogénique depuis le réservoir (1) jusqu'à la seconde sonde (22) qui est plus long que le trajet (4) du réservoir (1) à la première sonde (21). 4. - Procédé de transfert selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vitesse de refroidissement plus lente de la seconde sonde (22) est assurée en faisant passer (via 28-27) au moins une partie des évaporations résultant de la mise en froid de la pompe (2) à l'endroit de ladite seconde sonde (22). 5. - D positif de transfert de liquide cryogénique d'un réservoir de stockage (1), incorporant une pompe cryogénique (2) raccordée par canalisation (4, 4a, 4b) en cuve (6), d'un réservoir (1) caractérisé par une première sonde thermométrique (21) au voisinage de l'aspiration de la pompe (2) et d'une seconde sonde thermométrique (22) au niveau d'un clapet (23)à flotteur (24) coopérant avec un orifice supérieur (26). 6. - Dispositif de transfert de liquide cryogénique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le cla pet (23) est raccordé à la can-lisation d'aspiration 4z de la pompe (2). 7. - Dispositif de transfert selon la revendication 6, caractérisé en ce que le clapet 23 est raccordé par syphon (28) à une conduite d'espiration 4e de la pompe (2). 8. - Dispositif de transfert selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice (26) de clapet (23) débouche dans une conduite de raccordement (30) en un point haut (15) du réservoir (1).