Brevet FR2626272A1 — publié le 19890728

L'invention est relative aux combustibles liquides pour propulseurs à chambres de combustion aérobies. Dans un, tel propulseur, la (ou ales) chambre de combustion est alimentée, d'une part, par l'air dans -lequel évolue-le véhicule équipé du propulseur, et, d'autre part, par un combustible liquide qui est injecté directement dans la chambre. de combustison. ou en amont de la chambre de combustion, dans un ou des conduits amenant l'air comburant dans la chambre de combustion. On..a cherché depuis de nombreuses. années .créer des combus- tibles lourds constitués par des hydrocar-bures présentant une masse volumique supérieure à l'unité tout en conservant des caractéristiques, chimiques et physiques compatibles avec les domaines d'utilisation du propulseur : en effet, toute augmentation dé masse volumique se traduit, à volume égal, par une augmentation de la masse embarquée, donc une augmentation des performances à pouvoir calorifique massique et à rendement de combustion constants. Par contre, ces combustibles lourds présentent un certain nombre d'inconvénients, résumés ci-après : - leur viscosité est élevée (d@autant plus élevée que leur densité est élevée), ce qui pose des problèmes dans les domaines d'utilisation du propulseur, la température notamment pouvant varier entre - 50 C et + 60 C - leurs propriétés chimiques peuvent être incompatibles avec les matériaux constitutifs des circuits d'injection ; - des problèmes, dont on pense qu'ils peuvent être liés à la viscosité élevée, se posent au niveau du rendement de combustion des molécules qui sont plus chargées en carbone que celles des combustibles classiques légers (du genre kérosène) ;; - leur prix moyen est relativement élevé par..rapport au prix des combustibles classiques légers (du genre kérosène) L'invention a précisément pour but un combustible liquide qui remédie, au moins partiellement, aux inconvénients mentionnés ci-dessus. L'invention a pour objet un combustible liquide lourd présentant une masse volumique supérieure à l'unité,. une viscosité dont la valeur varie le moins possible dans un domaine de température de - 50 C à + 60 C, et dont le rendement de combustion permette un pouvoir. calorifique massique supérieur à celui d'un combustible classique léger (tel que le kérosène par exemple). Le combustible selon l'invention est constitué par une suspension de particules solides dans un liquide additionné d'un gélifiant dans des proportions telles que cette suspension présent une structure de gel à forte thixotropie, et il est caractérisé par le fait que les particules solides sont des particules d'au moins un hydrocarbure lourd en suspension dans un liquide hydrocarboné qui n'est pas un solvant de l'hydrocarbure lourd. Grâce à cette caractéristique de forte thixotropie, le combustible selon l'invention présente une viscosité statique éle vée et une viscosité dynamique faible, voisine de la viscosité du liquide hydrocarboné. La viscosité dynamique de ce combustible varie dans des proportions très faibles dans un domaine de température de - 500 à + 600 C. Par contre, la viscosité statique de ce combustible est tell que, stocké à la température ambiante (ou à une température supérieure à la température ambiante), il reste stable pendant une durée supérieure à six mois. Avantageusement, la suspension de particules solides d'hydro carbure lourd dans le liquide hydrocarboné peut être constituée, en poids, par 60% à 80% de particules solides d'hydrocarbure lonr et 40% à 20% de liquide hydrocarboné ; cette suspens ion est alors complétée par addition d'un gélifiant dans la proportion, en poids de 0,3% à 1% du total. On a constaté qu'avec une proportion de particules solides d'hydrocarbure lourd de 70%, on conserve des propriétés mécanique. qui autorisent une injection tout à fait satisfaisante ; cette proportion de 70% peut d'ailleurs être augmentée sans nuire à la qualité de l'injection. Le liquide hydrocarboné ne doit pas constituer un solvant pour les particules solides d'hydrocarbure lourd, car il se produit, par suite de la variation de la solubilité avec la température, une précipitation de l'hydrocarbure solide aux basses tempé ratures ; cette précipitation modifie alors les propriétés mécaniques de la suspension et le combustible perd la propriété d'êta injectable. Il convient enfin de signaler que la suspension d'hydrocarbu: lourd dans le liquide hydrocarboné est obtenue à partir de particules solides dont le diamètre maximal est inférieur à 250 pm. L'invention est également relative à un procédé de fabricati du combustible présentant les caractéristiques définies ci-dessour Selon ce procédé, - on dispose le liquide hydrocarboné dans un récipient soumis à l'action d'un dispositif agitateur, - on introduit progressivement le gélifiant, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on introduit progressivement les particules solides d'hydrocarbure, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante (400 à 600C) pendant une durée d'au moins 24 h, - et on stocke le combustible obtenu à température ambiante. Selon une variante de ce procédé, - on dispose le liquide hydrocarboné dans un récipient soumis à l'action d'un dispositif agitateur, - on introduit le gélifiant progressivement, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante pendant une durée d'au moins 24 h, - on introduit progressivement les particules solides d'hydrocarbure, le récipient étant de nouveau soumis à l'action du dispositif agitateur, - on'arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante (400 à 600C) pendant une durée d'au moins 24 h, - et on stocke le combustible obtenu à température ambiante. Il convient de remarquer que les combustibles ainsi obtenus, grace à leurs propriétés de gels à forte thixotropie, réduisent les problèmes de ballottement dans les réservoirs. Il convient de signaler que, pour faciliter la dispersgrl de l'hydrocarbure solide, on peut mélanger, aux particules solides d'hydrocarbure, un agent mouillant qui contribue à la stabilité du système. L'invention consiste, mises à part les dispositions dont il vient d'etre question, en certaines autres dispositions qui seront plus explicitement décrites ci-dessous. L'invention pourra, de toute façon, etre bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, et qui est relatif à des modes de réalisation préférés de l'invention ne comportant, bien entendu, aucun caractère limitatif. Pour réaliser un combustible constitué par une suspension de particules solides d'hydrocarbure lourd dans un liquide hydrocarboné, on peut avoir avantageusement recours aux composés suivants - particules constituées par de l'anthracène (masse volumique 1,25), du fluorène (masse volumique 1,20), ou du chrysène (masse volumique 1,27), - liquide constitué par du kérosène (C1oH20 - masse volumique 0,7 ou un mélange a,6 pinène (C1OH16 - masse volumique 0,86). Les proportions pondérales sont comprises entre 60% et 80% de particules d'hydrocarbure solide et 40% et 20% de liquide hydr carboné. Le gélifiant qui complète de telles suspensions est alors additionné dans la proportion pondérale de 0,3% à 1% du total ce gélifiant peut etre constitué par de l'octoate d'aluminium. Les combustibles lourds suivants peuvent être obtenus - Combustible nO 1 : suspension de 60% en poids d'anthracène dans 40% en poids de kérosène, le tout additionné de 0,5% en poids d'octoate d'aluminium et de 1 % de triton ; la masse volumique de ce combustible nO 1 est alors de 1,01. - Combustible nO 2 : suspension de 70% en poids d'anthracène dans 30% en poids de kérosène, le tout additionné de 0,5% en poids d'octoate d'aluminium et de 1% de triton ; la masse volumique de ce combustible n0 2 est alors d6- 1,06. - Combustible nO 3 : suspension de 60% en poids d'anthracène dans 40% en poids de mélange a,6 pinène, le tout additionné de 0,5% en poids d'octoate d'aluminium ; la masse volumique de ce combustible nO 3 est alors de 1,05. - Combustible nO 4 : suspension de 70% en poids d'anthracène dane 30% en poids de mélange a,B pinène, le tout additionné de 0,5% e poids d'octoate d'aluminium , la masse volumique de ce combustible nO 4 est alors de 1,10. - Combustible nO 5 : suspension de 70% en poids de fluorène dans 30% en poids de kérosène, le tout additionné de 0,4% en poids d'octoate d'aluminium et de 1% de triton ; la masse volumique de ce combustible est alors 1,03. - Combustible n 6 : suspension de 78% en poids d'anthracène dans 22% en poids de kérosène, le tout additionné de 0,4% d'octoate d'aluminium et de 1% de triton ; la masse volumique de ce combustible est alors de 1, 10. - Combustible n 7 : suspens ion de 70% en poids de chrysène dans 30% de kérosène, le tout additionné de 0,5% d'octoate d'aluminium et de 1X de triton ; la masse volumique de ce combustible est alors de 1,07. Dans le tableau ci-dessous, on a procédé à une comparaison des caractéristiques des combustibles selon l'invention n 1, n 2, n 3, n 4, n 5, n 6 et n 7, avec quelques combustibles de synthèse connus à ce jour, à savoir du kérosène RJ6, du Ramjet fuel RJ1, du combustible RJ9A et du combustible RJ9B. Combustible Masse Chaleur de Chaleur de volumique combustion combustion ( : : volumique massique cal/cm3 cal/g ( n 1 : 1,01 : 9796 : 9728 ( nO 2 1,06 10210 9646 ( nO 3 : 1,05 : 10391 : 9822 n 4 1,10 10698 9726 n 5 1,03 10100 9757 n 6 1,10 : 10600 = 9636 n 7 : 1,07 : 10306 : 9632 Kérosène RJ6 0,78-0,80 : 8278 : 10220 (Ramjet RJ1 : 0,853 : 8787 : 10301 RJ9A 0,94 9592 10204 RJ9B 0,987 10191 10390 On constate alors que les combustibles selon l'invention présentent des masses volumiques comprises entre 1 et 1,10. De plus, ces combustibles sont injectables dans les mêmes conditions que les combustibles classiques mais présentent des chaleurs de combustion volumique plus élevées que celles des combustibles classiques. On donne ci-après les résultats d'essais comparatifs relatifs aux propriétés d'injection des combustibles liquides selon l'invention en prenant comme référence la propriété d'injection du kérosène. Pour les essais, on dispose d'une canne d'injection, munie à son extrémité, d'un injecteur transversal de diamètre 0,6 mm. La pression d'injection du liquide est de 10 bars et on mesure les débits. On calcule les coefficients de débit rapportés au kérosène. Le tableau ci-dessous résume les résultats. Combustible Débit Coefficient g/s de débit Kérosène 8,5 1 n 1 7 0,82 n 2 5,5 0,65 n 4 5,5 0,65 n 5 6,5 0,76 Quant aux prix des combustibles lourds de synthèse, ils sont plus élevés que les prix des combustibles selon l'invention qui sont obtenus grâce à des produits de grande diffusion, donc peu coûteux. On peut également obtenir un combustible dont certaines des caractéristiques sont déterminées (masse volumique et/ou rendement de combustion) en choisissant, pour les particules solides d'hydrocarbures lourds,un mélange de particules d'hydrocarbures lourdE différents. Par exemple, dans le combustible n 6, on pourrait remplacer les 78% en poids d'anthracène par 60% en poids d'anthracène et 18% en poids de fluorine. On va maintenant donner, à titre d'exemple, les différentes étapes de la fabrication d'un combustible selon l'invention. Si l'on se propose de fabriquer 1000 g de ce combustible, on procède comme indiqué ci-dessous - on broie un hydrocarbure solide (anthracène) et on le tamise pour ne retenir que des particules de diamètre compris entre 100 pm et 250 pm - on dispose un liquide hydrocarboné (300 g de kérosène) dans un récipient de 1500 cm3 soumis à l'action d'un dispositif agitateur - on introduit progressivement un gélifiant, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur ; ce gélifiant (3 à 7,5 g d'octoate d'aluminium) est introduit pendant un temps de l'ordre de 2 minutes et il représente, en masse, 1% à 2,5% du kérosène et 0,3 à 1% du combustible finalement obtenu - on introduit progressivement 700g de particules solides d'anthracène le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur : le temps d'introduction s'étend sur environ 5 minutes - pour faciliter cette opération, on mélange aux particules d'anthracène un agent mouillant qui peut etre constitué par du triton, et ce dans des proportions massiques de 0, 5% - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à 600C pendant 24 heures - et.on stocke le combustible obtenu à température ambiante. Selon la variante de ce procédé indiquée au début de la description, on peut procéder à la. gélification du kérosène et introduire ensuite les particules d'anthracène. REVENDICATIONS 1.- Combustible pour propulseur à chambre de combustion aérobie, constitué par une suspension de particules solides dans un liquide additionné d'un gélifiant dans des proportions telles que cette suspension présente une structure de gel à forte thixotropie, caractérisé par le fait que les particules solides sont des particules d'au moins un hydrocarbure lourd en suspensior dans un liquide hydrocarboné qui n'est pas un solvant de l'hydrocarbure lourd. 2.- Combustible selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la suspension de particules solides d'hydrocarbure lourd dans le liquide hydrocarboné est constituée en poids par 60 à 80% de particules solides d'hydrocarbure lourd et 40 à 20% de liquide hydrocarboné, cette suspension étant complétée par addition d'un gélifiant dans la proportion en poids de 0,3 à 1% du total. 3.- Combustible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que les particules solides d'hydrocarbure lourd présentent un diamètre maximal inférieur à 250 ijm. 4.- Combustible selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé par le fait que l'hydrocarbure lourd est de l'anthracène, du fluorène ou du chrysène. 5.- Combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le liquide hydrocarboné est du kérosène ou un mélange a,ss pinène. 6.- Combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le gélifiant est de l'octoate d'aluminium. 7.- Combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il contient, en outre, un agent mouillant dans la proportion de 0,5 à 1%. 8.- Combustible selon la revendication 7, caractérisé par le fait que cet agent mouillant est du triton. 9.- Procédé de fabrication d'un combustible selon l'une quel- conque des revendications 1 à 8. caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes - on dispose le liquide hydrocarboné dans un récipient soumis à l'action d'un dispositif agitateur, - on introduit progressivement le gélifiant, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on inttroduit progressivement les particules solides d'hydrocarbure, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante pendant une durée d'au moins 24 h, - et on stocke le combustible obtenu à température ambiante. 10.- Procédé de fabrication d'un combustible selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte les etapes suivantes - on dispose le liquide hydrocarboné dans un récipient soumis à l'action d'un dispositif agitateur, - on introduit le gélifiant progressivement, le récipient étant toujours soumis à l'action du dispositif agitateur, - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le ré- cipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante pendant une durée d'au moins 24 h, - on introduit progressivement les particules solides d'hydrocarbure, le-récipient étant de nouveau soumis à l'action du dispositif agitateur, - on arrete alors le dispositif agitateur et on dispose le récipient dans une étuve à température supérieure à la température ambiante pendant une durée d'au moins 24 h, - et on stocke le combustible obtenu à température ambiante. 11.- Procédé selon la revendication 9 ou lo, caractérisé par le fait qu'on mélange aux particules solides d'hydrocarbure un agent mouillant. 12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisé par le fait que, pour fabriquer 1000 g de combustible, le temps d'introduction du gélifiant dans le liquide hydrocarboné est d'environ 2 minutes, le temps d'introduction des particules solides d'hydrocarbure est d'environ 5 minutes,et la température de l'étuse est d'environ 600C.