Brevet FR2572161A1 — publié le 19860425

"RECIPIENT POUR MELANGE CRYOGENIQUE" La présente invention est relative à un récipient pour mélange cryogénique liquide, du type carrenant un réservoir dans lequel est disposé un conduit formant échangeur de chaleur dont l'entrée est reliée à la partie inférieure du réservoir par l'intermédiaire d'un organe de création d'une perte de charge. Dans les récipients cryogéniques classiques, la pression est maintenue à peu près constante malgré les entrées de chaleur inévitables par l'élimination intermittente d'une proie de la phase gazeuse. La conservation des mélanges cryogéniques liquides dans un tel récipient est impossible, car la vaporisation du liquide résultant des entrées de chaleur s'accompagne d'une distillation de ce liquide, de sorte que celui-ci s'enrichit progressivement en composant(s) le (s) moins volatil(s). Les récipients du type précité ont été proposés pour éviter une telle évolution de la composition du liquide. En effet, lorsque la pression intérieure du réservoir dépasse la pression de sortie de l'échangeur de chaleur d'une quantité prédéterminée par l'organe de création d'une perte de charge une certaine quantité de liquide traverse ce dernier et, se trouvant ramenée à une pression plus faible, se vaporise puis se réchauffe en prélevant dans le récipient la chaleur correspondante.Les entrées de chaleur sont ainsi compensées sans mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, au prix d'une petite fuite de liquide, et la compo- sition du liquide reste pratiquement constante pendant toute la vidange du récipient. La fuite de produit est du même ordre que celle qui résulte de la mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, évoquée plus haut. L'invention a pour but de fournir un récipient permettant d'utiliser de façon optimale les frigories produites par la fuite de liquide. A cet effet, l'invention a pour objet un récipient du type précité, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir. Dans un mode de réalisation préféré, l'échangeur de chaleur est constitué par un serpentin, notamment hélicoidal. Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un récipient conforme à l'invention ; - la figure 2 représente plus en détail l'agencement intérieur du récipient ; et - la rigure 3 est une vue en plan de la tête de ce récipient. Le récipient représenté comprend un réservoir intérieur 1 d'une capacité de 100 à 200 litres, par exemple, et une enveloppe extérieure 2 (non représentée sur la figure 1) séparées par un espace sous vide 3. Le réservoir 1 comporte un col supérieur 4 obturé par une tête 5 amovible. La tête 5 est constituée par une bride 6 traversée verticalement par quatre conduites qui lui sont rigidement reliées - une conduite 7 de remplissage en pluie, pourvue d'une vanne 8 et d'un raccord d'entrée 9 et ouverte à son extrémité inférieure - une conduite 10 d'entrée d'un agent réfrigérant pourvue d'un raccord d'entrée 11 et d'un clapet anti-retour 12 - une conduite 13 de sortie de cet agent, munie d'un clapet anti-retour 14 ; et - une conduite 15 de soutirage de liquide comportant, à l'extérieur du réservoir, une soupape de mise à l'atmosphère 16, une vanne 17 et un raccord de sortie 18. La conduite 7 se termine à un niveau intermédiaire dans le col 4, tandis que les trois autres conduites 10, 13 et 15 se prolongent vers le bas à peu près jusqu'au niveau du raccordement du col 4 et du réservoir 1. A cet endroit, la conduite 10 est reliée à l'entrée d'un serpentin 19 d'échange de chaleur, dont la sortie est à son tour reliée à l'entrée de la conduite 13. Au même niveau, la conduite 15 est reliée à l'extrémité supérieure d'un deux serpentin 20 d'échange de chaleur qui s'étend jusqu'au fond du réservoir 1, où son extrémité inférieure est équipée d'un clapet taré 21. Sur toute la hauteur occupée par le serpentin 19, le serpentin 20 a un diamètre réduit et est disposé à I' intérieur de celui-ci.Au-dessous du serpentin 19, le serpentin 20 prend un diamètre plus grand, sensiblement égal à celui du serpentin 19 et légèrement inférieur au diametre intérieur du col 4. Ainsi, la tête 5, comprenant la bride 6, les conduites 7,10, 13 et 15 et les deux serpentins 19 et 20, forme un ensemble monobloc amovible qui peut se fixer sur le réservoir en enfilant les deux serpentins dans le col et en fixant par des vis la bride 6 sur une bride 22 prévue à l'entrée du col 4, avec interposition d'un joint d'étanchéité 23. Pour bien immobiliser les deux serpentins, le clapet 21 s'appuie sur le fond du réservoir 1 en comprimant légèrement le serpentin 20. Gomme représenté à la figure 1 e le récipient comporte encore - un disque de rupture 24 relié au col 4 par une tubulure équipée d'un manomètre ; - une tubulure 25 de purge, reliée au col 4, équipée d'une vanne et normalement condamnée par un bouchon 26 ; et - un circuit 27 de remontée en pression, comprenant une crosse 28 de soutirage de liquide au fond du réservoir 1, un vaporiseur 29 et une conduite 30 qui relie ce dernier au col 4 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 31. Un mélange liquide cryogénique à stocker, par exemple un mélange d'oxygène et d'azote à 22 % d'oxygène (c'est-à-dire pratiquement de l'air liquide), est introduit en pluie, sous la pression de stockage (par exemple 10 à 20 bans), par la conduite 7. Avant et pendant ce remplissage, de l'azote liquide circule dans la conduite 10 et le serpentin 19, et s'échappe à l'état gazeux par la conduite 13, pour assurer que la pression pendant ces opérations de remplissage, et notamment si le réservoir est initialement chaud, n'excède pas la valeur maximale tolérée, sans qu'il soit besoin de mettre à l'air libre une partie de la phase vapeur ou de la phase liquide du mélange Pendant le stockage, les entrées de chaleur inévitables provoquent une certaine vaporisation du liquide et une augeentation de la pression. Lorsque celle-ci dépasse la pression d'ouverture de la soupape 16 d'une valeur prédéterminée correspondant au tarage du clapet 21 (par exemple 2 bars), ce dernier s'ouvre et une petite quantité de liquide passe dans le serpentin 20. Cette fuite de liquide se vaporise puis se réchauffe dans le serpentin 20, en prélevant de la chaleur dans le liquide et dans la phase vapeur qui le surmonte, et le gaz réchauffé s'échappe par ia soupape 16. Ainsi, le liquide se sous-refroidit, la vapeur se recondense partiellement, et la pression redescend jusqu'à une valeur pour laquelle le clapet 21 et la soupape 16 se referment. Ceci permet, au prix d'une petite perte de liquide, de conserver le liquide avec une composition pratiquement constante, puisque la phase vapeur n'est jamais mise à l'atmosphère. Parmi les deux phénomènes expliques ci-dessus, c'est la recondensation de la phase vapeur qui constitue l'utilisation la plus efficace du froid produit par la détente du liquide. Or, du fait de l'extension du serpentin 20 sur toute la hauteur du réservoir, la surface d'échange de chaleur contenue dans la phase vapeur augmente proportionnellement au volume de cette phase. L'efficacité de la recondensation des vapeurs est ainsi maximale. Lorsqu'on désire soutirer du liquide, on ouvre la vanne 17, ce qui met la conduite 15 en communication avec le circuit d'utilisation (non représenté), relié au raccord 18. Le circuit d'utilisation est supposé se trouver à une pression inférieure à la pression de stockage d'une quantite supérieure à la perte de charge imposée par le clapet 21. Par conséquent, ce clapet s'ouvre, et le liquide soutiré passe en totalité dans le serpentin 20, la soupape 16 restant fermée. Tout le liquide soutiré produit donc du froid, ce qui a pour résultat d'une part un sous-refroidissement du liquide restant dans le réservoir, et d'autre part une lecoadensation de la phase vapeur qui le surmonte. D & que la pression descend au-dessous d'une valeur prédéterminée, le régulateur de pression 31 s'ouvre, du liquide passe par la crosse 28 dans le vaporiseur 29, et la vapeur ainsi produite est renvoyée par la conduite 30 dans le col 4 du réservoir, jusqu'à rétablissement de la pression de consigne. Du fait de la vitesse de circulation du fluide dans le circuit 27, la vapeur réinjectée dans le col 4 a la même composition que le liquide prélevé par la crosse 28. Ainsi, lorsqu'on soutire du liquide, il se produit simulatané- ment un sous-refroidissement du liquide et un brassage important, à travers le circuit de remontée en pression 27, qui tend à maintenir la phase vapeur à la même composition que la phase liquide. Ces deux phénomènes s'opposent à la distillation du melange, et il est ainsi possible de soutirer la quasi-totalité du liquide sans variation gênante de sa composition. On remarque également que le fait de soutirer le liquide à travers le serpentin 20 réduit au maximum le nombre de conduites à prévoir, ce qui permet de faire passer toutes les conduites nécessaires à travers le col du réservoir, même si celui-ci est étroit. On peut ainsi adapter facilement l'invention à des récipients existants de capacité relativement réduite. En variante, le clapet 21 peut être remplacé par un autre organe capable de créer une perte de charge, par exemple par un tube capillaire ou un élément fritté. REVENDICATIONS 1. - Récipient pour mélange cryogénique liquide, du type comprenant un réservoir 11) dans lequel est disposé un conduit formant échangeur de chaleur (20) dont l'entrée est reliée à la partie inférieure du réservoir par l'intermédiaire d'un organe (21) de création d'une perte de charge, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir (1). 2. - Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (20) est constitue par un serpentin, notamment hélicoidal. 3. - Récipient suivant l'une des revendications 1 et 2, comprenant une conduite (15) de soutirage de liquide et un circuit (27) de remontée en pression, caractérisé en ce que la conduite de soutirage de liquide (15) est reliée à la sortie de 11 échangeur de chaleur (20). 4. - Récipient suivant la revendication 3, comprenant une soupape (16) de mise à l'atmosphère, caractérisé en ce que cette soupape est montée sur la conduite de soutirage de liquide (15). 5. - Recipient suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un disque de rupture (24) relié à la partie supérieure (4) du réservoir (1). 6. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qutil comprend une tête amovible (5) comportant une bride (6) traversée d'une part par la conduite de soutirage de liquide (15), d'autre part par des conduites (10, 13) d'entrée et de sortie, respectivement, d'un agent réfrigérant reliées entre elles par un échangeur de chaleur auxiliaire (19). 7. - Récipient suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une conduite 17) de remplissase traversant ladite bride (6). 8. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'organe de création d'une perte ae charge est un clapet taré (21). 9. - Récipient suivant l'urne quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'organe de création d'une perte de charge est un tube capillaire. 10. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'organe de création d'une perte de charge est un élément fritté.