Brevet FR2713743A1 — publié le 19950616

l Procédé pour le stockage sans formation de couches de température de liquides cryogéniques et dispositif faisant application dudit procédé La présente invention concerne un procédé pour le stockage de liquides cryogéniques, sans formation de couches de température, dans un réservoir stationnaire ou mobile isolé thermiquement, en parti- culier pour le stockage d'un combustible cryogénique tel que de l'hy- drogène liquide ou du méthane liquéfié dans le réservoir d'un avion, dans des conditions de gravitation ou des conditions de gravitation et de mouvement qui, à l'intérieur du volume de stockage du réservoir, favorisent la formation d'un volume de liquide avec une surface claire- ment délimitée immobile ou faiblement agitée et, au-dessus de celle- ci, d'un espace rempli de gaz. L'invention concerne également un dis- positif pour la mise en oeuvre dudit procédé Dans les liquides cryogéniques, c'est-à-dire dans les liquides à très basse température, au repos, il se forme au bout d'un certain temps des couches verticales de température, la couche supérieure présentant la température la plus élevée. Dans la mesure o aucun gaz étranger n'est présent dans l'espace situé au-dessus du liquide, la pres- sion dans ledit espace et par suite dans l'ensemble de l'enceinte du réservoir correspond à la température de la couche supérieure du liqui- de, conformément à la courbe courbe pression-vapeur pour le liquide considéré. Cela signifie qu'il règne à l'intérieur du réservoir une pres- sion qui est supérieure à la pression correspondant à la température moyenne du liquide. Cet effet est particulièrement marqué dans les réservoirs stationnaires, mais il apparaît également dans les réservoirs mobiles tels que ceux installés dans des véhicules terrestres ou dans des avions, lorsque ceux-ci restent parqués pendant un temps relative- ment long ou lorsqu'ils traversent une phase prolongée d'accélération relativement calme, sans accélérations importantes. Dans le cas de parcours/de vols mouvementés cet effet est annulé de manière plus ou moins incontrôlée du fait du brassage, une chute brutale de pression pouvant même se produire. Des pressions élevées à l'intérieur du ré- servoir constituent un handicap lorsqu'on souhiatent obtenir une cons- truction légère, économe en matériaux, comme cela est le cas en aéro- nautique, les sollicitations mécaniques plus élevées résultant de la pression imposant des épaisseurs de paroi plus fortes. On pourrait re- médier à ce problème en relâchant dans l'atmosphère, par le biais d'une soupape de décharge, le liquide qui se vaporise ou qui est vapo- risé. Dans les faits, ceci entraînerait une perte mal venue de liquide ainsi qu'une pollution de l'environnement. Un autre solution pour réduire la pression consiste à mélan- ger en continu ou de manière périodique le liquide au moyen de méca- nismes d'agitation. De la même manière une mise en circulation du li- quide par pompage serait envisageable. De telles solutions sont cepen- dant complexes sur le plan de la construction; elles exigent toute une série de composants supplémentaires (moteurs, roues agitatrices, pom- pes, tuyauteries, soupapes, etc...) et augmentent de manière très sensi- ble le poids du réservoir. Les fluctuations de pression évoquées plus haut, lors de mou- vements plus importants du réservoir, constituent un inconvénient dans la mesure o elles entraînent des sollicitations mécaniques alter- nées et des fluctuations de débit, c'est-à-dire à une alimentation irré- gulière des utilisateurs disposés en aval. Compte tenu de ces inconvénients, l'objet de la présente in- vention est de proposer un procédé pour stocker, sans formation de couches de température, un liquide cryogénique dans un réservoir sta- tionnaire ou mobile, isolé thermiquement, qui par une homogénéisa- tion de la température, permette pour un faible coût d'abaisser au mi- nimum la pression à l'intérieur du réservoir. L'invention concerne éga- lement une structure de réservoir pour la mise dudit procédé, structure qui doit être simple, fiable et légère. Le problème est résolu conformément à l'invention par le fait que l'on pompe en continu ou de manière périodique du liquide dans la région du fond du réservoir, on l'amène dans la région de l'espace rem- pli de gaz et on le dirige sous la forme d'au moins un jet chargé en énergie perpendiculairement ou sous un angle aigu sur la surface du li- quide. Le procédé peut être également appliqué pour le stockage d'un combustible cryogénique dans le réservoir d'un avion, le réservoir comportant une chambre principale qui est remplie de combustible et se vide progressivement du fait de la consommation en combustible ainsi qu'une chambre secondaire plus petite formant moyen de stocka- ge intermédiaire qui est toujours sensiblement remplie pendant le fonctionnement de l'avion. Une certaine quantité de combustible est pompe en continu ou de manière périodique dans la région du fond de la chambre principale vers la chambre secondaire et est amenée en étant dirigée vers le haut dans la chambre secondaire; une quantité de combustible qui correspond au moins à une partie dudit débit est rame- née au niveau de la région supérieure de la chambre secondaire, sous forme de trop plein, dans la chambre principale o elle frappe sous la forme d'au moins un jet chargé en énergie par le dessus la surface du liquide. Lorsque la consommation est continue, par exemple lors du fonctionnement des moteurs, on pompe en continu dans la région pro- che du fond de la chambre principale pour l'amener dans la chambre secondaire une quantité de combustible dont le débit masse (m5) in- stantané est au moins égal à 1,1 fois la consommation instantanée (m2) en combustible devant être couverte à partir du réservoir. Le réservoir pour la mise en oeuvre du procédé comporte une enveloppe extérieure qui est isolée thermiquement, au moins un dispo- sitif de remplissage, au moins une pompe et un ensemble de conduites pour l'alimentation en liquide cryogénique d'au moins un utilisateur. Une communication d'écoulement mène de la région du fond du réser- voir jusque dans la région de l'espace rempli de gaz. Au moins une pompe est disposée dans ladite communication et au moins un tube gi- cleur qui est disposé à l'extrémité supérieure de ladite communication d'écoulement, débouche au-dessus de la surface du liquide et est orien- té perpendiculairement à la surface du liquide ou suivant un angle aigu par rapport à celle-ci. L'embouchure du tube gicleur forme un angle compris entre et 90 avec la position normale de la surface du liquide. L'embou- chure du tube-gicleur peut avoir une forme de buse convergente. Conformément à un mode de réalisation de l'invention, une cloison sépare le volume du réservoir en une chambre principale et une chambre secondaire, au moins une pompe de gavage étant disposée dans la région du fond de la chambre principale et une conduite me- nant de la pompe de gavage à la chambre secondaire et au moins une pompe principale étant disposée dans la chambre secondaire et une conduite menant de la pompe princcpale à l'extérieur du réservoir. Un trop plein mène de la chambre secondaire dans la chambre principale. Un tronçon de sortie dirigé vers le haut de la conduite mène de la pompe de gavage dans la chambre secondaire et au moins un tube gi- cleur qui est disposé dans la cloison, mène de la région supérieure de la chambre secondaire dans l'espace rempli de gaz et est dirigé perpen- diculairement ou suivant un angle vers le bas. De manière avantageuse, la pompe de gavage se présente sous la forme d'une pompe à jet fonctionnant selon principe de l'éjecteur et comporte une conduite qui mène de la pompe principale à la pompe de gavage aux fins d'entraîner cette dernière. Conformément à l'invention, on pompe en continu ou de ma- nière périodique du liquide dans la région proche du fond du réservoir, on l'amène dans la la région de l'espace rempli de gaz et on le projette sous la forme d'au moins un jet avec une vitesse de sortie élevée sur la surface du liquide. Ainsi on crée une circulation de liquide à l'inté- rieur du réservoir qui, avec un débit volumique modéré et une consom- mation énergétique modérée, élimine ou emp&che de manière efficace la formation incriminée de couches de température. Le jet de liquide froid qui arrive avec une vitesse élevée sur la surface du liquide pro- duit de fortes turbulences dont l'étendue est limitée dans l'espace. La zone de turbulence présente une température plus basse que le reste de la surface du liquide et génère ainsi une zone à basse température qui, à son tour agit comme point de condensation pour le liquide vaporisé ou en cours de vaporisation. Ainsi, la zone de turbulence limitée dans l'espace provoque des courants de grande ampleur qui ont un effet d'égalisation de la température aussi bien dans l'espace rempli de gaz que dans le liquide, de sorte que l'on obtient ainsi une homogénéisa- tion rapide de la température dans la totalité du volume. Cet effet sur- prenant est vérifié par des essais dans la pratique. La complication sur le plan de la construction pour obtenir cet effet reste dans des limites acceptables. Seuls quelques éléments supplémentaires tels que des conduites simples et courtes, des vannes, etc sont nécessaires. Les pompes qui existent de toute façon dans la région d'aspiration proche du fond du réservoir peuvent être utilisées, le cas échéant dans une version plus puissante, pour produire la circu- lation recherchée. Tous les éléments nécessaires sont montés fixes, c'est-à-dire statiques, dans le réservoir et par conséquent ne posent pas de problèmes. L'invention est décrite ci-après de manière détaillée en se ré- férant aux dessins. Ceux-ci représentent sous une forme très simpli- fiée, schématisée: figure 1, une coupe longitudinale d'un réservoir comportant un chambre intérieure unique monobloc, figure 2, une coupe longitudinale semblable d'un réservoir pour un avion, avec une chambre principale et une chambre annexe. Sur les deux figures, les éléments qui ne sont pas en relation directe avec l'invention, comme par exemple l'isolation du réservoir, les dispositifs de remplissage, les dispositifs de purge, les trous d'homme avec leurs brides, les couvercles, etc., n'ont pas été représen- tés pour des raisons de clarté. Le réservoir 1 sur la figure 1 peut être par exemple un réser- voir stationnaire dans lequel un liquide cryogénique, c'est-à-dire pour un liquide à très basse température, est stocké temporairement à des fins d'utilisation. Le liquide peut être par exemple un gaz inerte liqué- fié, un liquide de refroidissement, un combustible ou un propergol. Des utilisateurs raccordés au réservoir 1 sont constitués par exemple par des dispositifs de soudage, des dispositifs de refroidissement, des dispositifs de chauffage ou des moteurs. Pour le prélèvement du liquide, il est prévu dans la région du fond du réservoir 1 une pompe 10 de laquelle part une conduite 16. Après division, une conduite 17 mène par l'intermédiaire d'une vanne 23 à l'extérieur du réservoir vers un ou plusieurs utilisateurs non re- présentés. La vanne 23 peut être fermée et peut comporter le cas échéant une section de passage réglable. Jusqu'ici, l'agencement est celui d'un réservoir convention- nel. Conformément à l'invention il est prévu en outre une condui- te 18 qui passe par une vanne 24 et arrive jusque dans l'espace rempli de gaz 5, au-dessus de la surface 3 du liquide, et se raccorde à ce ni- veau à un tube gicleur 13 qui est dirigé avec un angle aigu sur la sur- face 3 du liquide ou perpendiculairement à celle-ci. Le jet de liquide qui sort du tube gicleur 13 possède suffisamment d'énergie cinétique pour engendrer une zone de mélange fortement turbulente, d'étendue limitée, dans la région supérieure du volume de liquide. Supposons qu'avant l'activation du tube gicleur 13 au moyen de la vanne 24 il existait des couches de température avec la tempéra- ture la plus élevée dans la région de la surface 3 du liquide et la tem- pérature la plus basse dans la région du fond, le jet froid alimenté par du liquide provenant de la région du fond entraîne la formation d'une zone de température plus froide qui se présente sous la forme d'une zone de mélange turbulente. Cette zone de température plus basse agit à la manière d'une zone de condensation pour les vapeurs de liquide présentes dans l'espace rempli de gaz 5, des phénomènes d'écoulement par convection étant ainsi engendrés dans pratiquement l'ensemble de la chambre 5. Ceux-ci sont indiqués par trois flèches dans la partie gauche du réservoir sur la figure. Du fait de la vaporisation des zones de liquide plus chaudes et du fait des différences de densité dues à la température, des phénomènes de courant à grande échelle apparaissent dans le volume de liquide, courants qui conduisent relativement rapi- dement à une homogénéisation de la température du liquide et ainsi à une diminuion de la pression à l'intérieur du réservoir. - En actionnant en continu ou de manière périodique le tube gi- cleur 13, on peut stabiliser la pression à l'intérieur du réservoir à un niveau bas. Naturellement, le tube gicleur peut aussi être alimenté en li- quide par une pompe séparée; en ce qui concerne le type et l'entraîne- ment de cette pompe, il existe un grand nombre de possibilités. Il peut aussi y avoir non pas un, mais plusieurs tubes gicleur Des essais ont montré que l'angle d'incidence du jet sur la surface du liquide doit être compris entre 45 et 90 . Une incidence trop faible du jet (angle inférieur à 45 ) entraîne une dégradation de l'effet de brassage par turbulence. La figure 2 montre un exemple de réalisation spécialement adapté aux conditions rencontrées dans les avions. Le réservoir 2 est un réservoir à combustible, le liquide cryogénique est de préférence de l'hydrogène liquide LH2) ou du gaz naturel liquéfié (GNL) qui se com- pose essentiellement de méthane. Le réservoir 2 est séparé par une cloison 7 en une chambre 8 principale et une chambre 9 secondaire, le volume de cette dernière étant sensiblement plus faible. Le combustible est d'abord amené de la chambre 8 principale dans la chambre 9 secondaire, puis de là à un ou plusieurs moteurs. En conséquence, il est prévu dans la chambre 8 principale une pompe de gavage 11 avec une conduite 22 et, dans la chambre 9 secondaire, une pompe 12 principale avec des conduites 19, et une vanne 25. En vol, la chambre 9 secondaire devrait toujours être sensi- blement remplie de combustible afin de garantir une aspiration sans interruptions et sans bulles, même lors de conditions passagères de g négatif. Ceci est obtenu par le fait que la pompe de gavage 11 envoie en permanence dans la chambre 9 secondaire une quantité de combus- tible qui est supérieure à la quantité effectivement pompée par la pom- pe 12 principale. L'excédent de combustible est ramené dans la cham- bre 8 principale en tant que trop plein. Jusqu'ici, l'agencement décrit est connu et fait partie de l'état de la technique. Conformément à l'invention, le trop plein de la chambre 9 se- condaire est agencé sous la forme d'un tube 14 en acier qui s'étend à partir de la paroi intermédiaire 7 et débouche dans l'espace rempli de gaz 6 de la chambre 8 principale, au-dessus de la surface 4 du liquide et qui est dirigé suivant un angle aigu ou perpendiculairement à ladite surface. De même, la conduite 22 qui vient de la pompe de gavage 11 débouche dans la chambre 9 secondaire avec son écoulement dirigé vers le haut de telle sorte qu'il se forme dans la chambre 9 secondaire une sorte de court-circuit en direction du tube 14, la pompe 12 princi- pale étant naturellement alimentée avec du combustible en quantité suffisante. Dans le cas présent, la pompe de gavage 11 est agencée sous forme de pompe à jet fonctionnant selon le principe de l'éjecteur et reçoit son énergie de la pompe 12 principale. A cet effet une conduit 21 pourvue d'une vanne 26 part de la conduite 19 dans la chambre 9 secondaire et mène à la pompe de gavage 11 dans la cham- bre 8 principale. Pour une meilleure compréhension nous examinerons briève- ment le bilan massique du réservoir 2, les débits masse significatifs étant désignés par" ml à m6". - mi1 est le débit de combustible qui s'écoule de la pompe de gavage 11 dans la chambre 9 secondaire - m2 est la consommation de combustible instantanée prélevée dans le réservoir 2, - m3 est le débit qui revient de la chambre 9 secondaire dans la cham- bre 8 principale à travers le tube 14 et la buse convergente disposée en bout de celui-ci aux fins d'augmenter la vitesse, - m4 est le débit de combustible qui entraîne la pompe de gavage 11, - m5 est le débit aspiré par la pompe de gavage 11 dans la chambre 8 principale, - m6 enfin est le débit qui est aspiré par la pompe principale 12 dans la chambre secondaire. En supposant que la masse de combustible dans la chambre 9 secondaire reste constante et que la diminution de la masse rapportée au temps dans-la chambre 8 principale est égale à la consommation de combustible prélevée dans le réservoir 2, on a les relations suivantes: ml = m4+m5 m51 = m2 + m3 m6= m2 + m4 m3 > O lorsque m5 >m2 Le débit masse m4 qui entraîne la pompe de gavage 1l 1 doit être suffisamment élevé pour que les deux conditions mentionnées en dernier soient satisfaites (m3 > O, m5 > m2). Naturellement la pompe de gavage peut aussi se présenter sous la forme d'une pompe à engrenages ou d'une pompe centrifuge pourvue d'un entraînement propre (mécanique, électrique, hydraulique, pneumatique), le débit masse m4 disparaissant dans ce cas, c'est-à-dire étant mathématiquement "nul". REVENDICATIONS 1. Procédé pour le stockage d'un liquide cryogénique sans formation de couches de température, dans un réservoir stationnaire ou mobile, isolé thermiquement, en particulier pour le stockage d'un com- bustible cryogénique tel que de l'hydrogène liquide ou du méthane li- quéfié dans le réservoir d'un avion dans des conditions de gravitation ou des conditions de gravitation et de mouvement qui, à l'intérieur du volume de stockage du réservoir, favorisent la formation d'un volume de liquide avec une surface clairement délimitée immobile ou faible- ment agitée et, au-dessus de celle-ci, d'un espace rempli de gaz, carac- térisé par le fait que l'on pompe en continu ou de manière périodique du liquide dans la région du fond du réservoir (1), on l'amène dans la région de l'espace (5) rempli de gaz et on le dirige sous la forme d'au moins un jet chargé en énergie (tube gicleur 13) perpendiculairement ou sous un angle aigu sur la surface (3) du liquide. 2. Procédé selon la revendication 1 pour le stockage d'un combustible cryogénique dans le réservoir d'un avion, le réservoir comportant une chambre principale qui est remplie de combustible et qui, par la suite, se vide du fait de la consommation en combustible ainsi qu'une chambre secondaire plus petite qui sert de moyen de stoc- kage intermédiaire et est sensiblement remplie pendant le service de l'avion, caractérisé par le fait que l'on pompe en continu ou de manière périodique une certaine quantité de combustible dans la région du fond de la chambre (8) principale vers la chambre (9) secondaire, l'écoule- ment à la sortie dans la chambre (9) secondaire étant dirigé vers le haut et par le fait qu'une quantité de combustible qui correspond au moins à une partie dudit débit est ramenée au niveau de la région su- périeure de la chambre 9 secondaire sous forme de trop plein, dans la chambre 8 principale, o elle frappe sous la forme d'au moins un jet chargé en énergie (tube gicleur 14) par le dessus la surface (4) du li- quide. 3. Procédé selon la revendication 2 appliqué dans le cas d'une consommation continue lors du fonctionnement des moteurs, caractéri- sé par le fait l'on pompe en continu dans la région proche du fond de la chambre (8) principale pour l'amener dans la chambre (9) secondai- re une quantité de combustible dont le débit masse (m5) instantané est au moins égale à 1,1 fois la consommation instantanée (m2) en com- bustible devant être couverte à partir du réservoir (2). 4. Réservoir pour la mise en oeuvre du procédé selon l'un quelconque des revendications 1 à 3, comportant une enveloppe exté- rieure qui est isolée thermiquement, au moins un dispositif de remplis- sage et au moins une pompe et un ensemble de conduites pour l'ali- mentation en liquide cryogénique d'au moins un utilisateur, caractérisé par une communication d'écoulement (conduites 16, 18) menant de la région du fond du réservoir (1) jusque dans la région de l'espace (5) rempli de gaz, par au moins une pompe (10) insérée dans cette commu- nication d'écoulement et au moins un tube gicleur (13) qui est disposé à l'extrémité supérieure de ladite communication d'écoulement, débou- che au-dessus de la surface (3) du liquide et est orienté suivant un an- gle aigu par rapport à ladite surface ou perpendiculairement à celle-ci. 5. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé par une orientation de l'embouchure du tube gicleur (13, 14) suivant un angle compris entre 45 et 90 par rapport à la position normale de la surfa- ce (3, 4) du liquide. 6. Réservoir selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé par un agencement de l'embouchure du tube-gicleur (14) en forme de buse (15) convergente. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 4 à 6 disposé dans un avion, comportant une cloison qui sépare le volume du réservoir en une chambre principale et une chambre secondaire, au moins une pompe de gavage disposée dans la région du fond de la chambre principale et une conduite qui mène de la pompe de gavage à la chambre secondaire, au moins une pompe principale disposée dans la chambre secondaire et une conduite qui mène de la pompe principa- le vers l'extérieur du réservoir ainsi qu'un trop plein qui mène de la chambre secondaire à la chambre principale, caractérisé par un tronçon de sortie dirigé vers le haut de la conduite (22) menant de la pompe de gavage (11) dans la chambre (9) secondaire et au moins un tube gi- cleur (14) qui est disposé dans la cloison (7), mène de la région supé- rieure de la chambre (9) secondaire dans l'espace (6) rempli de gaz et est dirigé perpendiculairement ou suivant un angle vers le bas. 8. Réservoir selon la revendication 7, caractérisé par une pompe de gavage (11) agencée sous forme de pompe à jet fonctionnant selon le principe de l'éjecteur et par une conduite (19, 22) qui mène de la pompe principale (12) à la pompe de gavage (11) aux fins d'entraî- ner celle-ci.