Brevet FR2713744A1 — publié le 19950616

Système pour liquide cryogénique L'invention concerne un système cryogénique pour des liqui- des cryogéniques, notamment pour de l'hydrogène liquide, du méthane liquide ou du gaz naturel liquide, qui contiennent de faibles quantités de produits étrangers avec des points de fusion et d'ébullition plus éle- vés, tels que par exemple de l'oxygène et de l'azote, le système cryo- génique comprenant au moins un réservoir, des conduites et des acces- soires, tels que par exemple des pompes, des soupapes et des filtres, et étant utilisé dans des conditions données de gravitation, de manière stationnaire ou mobile, avec des conditions de mouvement quasi-sta- tionnaires, notamment comme circuit de combustible dans un avion de transport. Les liquides cryogéniques destinés à des applications techni- ques, avec la pureté habituelle pour ce genre d'application, contien- nent toujours de faibles quantités de fluides étrangers dissous. Ainsi l'hydrogène liquide courant contient par exemple de l'oxygène, de l'azote et d'autres substances à l'état dissous. Tant que ces impuretés ne sont présentes qu'en de faibles concentrations, avec une répartition régulière et à l'état liquide dans le fluide cryogénique, elles ne posent généralement pas de problèmes et il n'est pas nécessaire d'y prêter une attention particulière. En revanche, des problèmes et des dangers peuvent apparaître lorsqu'il se forme des concentrations locales de ces produits. De telles concentrations ou de tels dépôts se forment avant tout lorsque les fluides étrangers ont une température de fusion et une température d'ébullition et un poids spécifique plus élevés que le liquide cryogéni- que vecteur. En fonctionnement normal, compte tenu des conditions d'écoulement, les fluides étrangers sont transportés pratiquement dans toutes les parties du système cryogénique, c'est-à-dire dans les condui- tes et dans les accessoires. Lors des arrêts, le liquide cryogénique reste dans les zones des conduites et des accessoires dans lesquelles un retour par gravité vers le réservoir n'est pas possible pour des raisons de construction ou de fonctionnement. Par l'apport de chaleur de l'environnement et du fait de son point d'ébullition plus bas, le liquide cryogénique se vapo- rise en premier et s'échappe des parties mentionnées, de préférence en direction du réservoir. Les produits étrangers dont la température de fusion et la température d'ébullition sont plus élevées demeurent sous une forme liquide ou sous une forme gelée, solide. Avec l'alternance des phases de fonctionnement et des pau- ses, des produits étrangers s'accumulent en quantité de plus en plus grande dans les parties mentionnées jusqu'au moment o des concen- trations critiques sont atteintes. Lors la mise service suivante du systè- me, c'est-à-dire lors du premier contact entre le liquide cryogénique entrant et les produits étrangers concentrés, il peut se produire une ex- plosion dans les cas extrêmes. Les risques d'explosion existent notam- ment lorsque des liquides cryogéniques combustibles entrent en contact avec des accumulations d'oxygène. La réaction de détonation de l'hydrogène avec l'oxygène est bien connue dans ce contexte. D'autres conséquences moins dévastatrices mais cependant critiques pour le système peuvent être dues à ce que des impuretés ge- lées réduisent les sections d'écoulement, voire bloquent des éléments fonctionnels ou des éléments mobiles, tels que des pistons de vannes, des tiroirs, des rouets de pompe etc. Compte tenu de ces problèmes et de ces risques, l'objectif de la présente invention est de proposer un système pour des liquides cryogéniques contenant de faibles quantités de fluides étrangers à points de fusion et d'ébullition plus élevés, qui permette d'éviter les accumulations desdits produits étrangers et de ce fait travaille avec un niveau de sécurité et de fiabilité nettement plus élevé. Cet objectif est atteint selon l'invention par le fait que la majeure partie des conduites ou toutes les conduites situées à l'exté- rieur du réservoir présentent au moins localement une pente descen- dante en direction du réservoir et par le fait que les parties formant siphon, les parties parfois fermées ainsi que diverses autres parties des conduites et des accessoires dans lesquelles le liquide cryogénique ne peut pas revenir par gravité au réservoir sont pourvues d'orifices de drainage ou de conduites de drainage qui débouchent dans le réservoir et/ou dans au moins un réservoir de collecte supplémentaire. De manière avantageuse, les parties de conduites relative- ment longues situées à l'intérieur du réservoir présentent elles aussi au moins localement une pente descendante en direction de leur extrémité amont. Conformément à l'invention, les orifices de drainage et les conduites de drainage menant au réservoir débouchent dans des ré- gions du réservoir qui lors du remplissage du réservoir sont systémati- quement balayées par le liquide de remplissage, ceci dans le but d'éli- miner par dispersion et par dissolution les concentrations solides et/ou liquides en fluides étrangers. Les tuyauteries présentent, localement ou sur l'ensemble de leur longueur, une pente descendante en direction du réservoir de telle sorte que, pendant les arrêts du système ou de certaines zones du sys- tème, le liquide contenu dans les tuyauteries a tendance à refluer vers le réservoir. Les zones de tuyauterie ou les accessoires dans lesquelles il n'est pas possible d'obtenir un tel écoulement sont pourvues d'orifi- ces ou de conduites de drainage qui sont amenés avec une pente dans le réservoir ou dans au moins un réservoir de collecte supplémentaire. L'invention est décrite ci-après en se référant au dessin. Ce- lui-ci représente de manière schématique une partie d'un système cryo- génique avec des éléments de tuyauterie, des accessoires et un réser- voir représenté en coupe longitudinale partielle. Le système cryogénique 1 est par exemple le circuit de com- bustible d'un avion de transport et comprend au moins un réservoir 2 comme réservoir de stockage pour le liquide cryogénique qui peut être par exemple de l'hydrogène liquide, du méthane liquide ou du gaz na- turel liquide. Le liquide est aspiré dans le réservoir 2 au moyen d'au moins une pompe 3. Une soupape 4, par exemple une soupape de dé- charge, est placée en aval de la pompe 3. Le système à proprement parler commence en aval de la soupape de décharge 4, lequel système se présente ici sous la forme de conduites 7 et 8. La tuyauterie 7 com- porte un tronçon 9 relativement long qui s'étend à l'intérieur du réser- voir 2 avec une zone 10 descendante inclinée en direction de la soupa- pe 4 et une zone 13 en forme de siphon. A l'extérieur du réservoir 2, la tuyauterie 7 mène jusqu'à un filtre 5 et comporte également une zone 11 descendante inclinée en direction du réservoir 2. Une autre condui- te 8 avec une zone inclinée 12 se raccorde au filtre 5. Dans le système représenté, bien que les tuyauteries soient descendantes en direction du réservoir ou dans le réservoir, il y a trois points caractéristiques d'o le liquide cryogénique ne peut pas retour- ner au réservoir. Ces points sont l'extrémité inférieure côté amont de la zone 10 à droite de la soupape 4, le point le plus bas de la zone 13 en siphon et la région du fond du filtre 5. A noter ici que la soupape 4 est de préférence un clapet anti-retour qui empêche un reflux du liqui- de en direction le réservoir 2 à travers la pompe 3 lorsque le système est arrêté. Sans la présente invention, les points cités constitueraient des points critiques sur le plan de l'accumulation et de l'augmentation de la proportion de produits étrangers présentant des points de fusion et d'ébullition supérieurs à ceux du liquide cryogénique vecteur. Conformément à l'invention, il est prévu des orifices de drai- nage 14 et 15 ainsi qu'une conduite de drainage 16 qui assurent un re- tour lent mais sûir du liquide accumulé vers le réservoir 2. Comme va- riante, une conduite de drainage 17 est représentée en pointillés, la- quelle conduite débouche dans un réservoir de collecte 6 supplémen- taire. Naturellement, les orifices et les conduites de drainage en- traînent un certain retour du liquide cryogénique de liquide cryogéni- que en fonctionnement. La section des orifices et des conduites de drainage étant nettement plus faible que celle des conduites principa- les, ces retours ne représentent pas des pertes significatives. Ainsi, le retour recherché du liquide cryogénique lors des ar- rêts est obtenu conformément à l'invention d'une part grâce à des conduites descendantes inclinées en direction du réservoir et dans le réservoir et d'autre part grâce à des orifices et des conduites de draina- ge qui agissent localement. Les concentrations en produits étrangers qui apparaissent éventuellement sont dispersées et dissoutes lors du remplissage du réservoir grâce à un aménagement adapté de l'écoule- ment. REVENDICATIONS 1. Système cryogénique pour des liquides cryogéniques, no- tamment pour de l'hydrogène liquide, du méthane liquide ou du gaz naturel liquide, qui contiennent de faibles quantités de produits étran- gers avec des points de fusion et d'ébullition plus élevés, tels que par exemple de l'oxygène et de l'azote, le système cryogénique comprenant au moins un réservoir, des conduites et des accessoires, tels que par exemple des pompes, des soupapes et des filtres, et étant utilisé dans des conditions de gravitation, de manière stationnaire ou mobile, avec des conditions de mouvement quasi-stationnaires, notamment comme circuit de combustible dans un avion de transport, caractérisé par le fait que la majeure partie des conduites ou toutes les conduites (7, 8) situées à l'extérieur du réservoir (2) présentent au moins localement (11, 12) une pente descendante en direction du réservoir (2) et par le fait que les parties formant siphon (13), les parties parfois fermées (conduites en cul-de-sac, zones mortes) et d'autres parties des condui- tes (7) et des accessoires (filtre 5) dans lesquelles le liquide cryogéni- que ne peut pas revenir par gravité au réservoir (2) sont pourvues d'orifices de drainage (14, 15) ou de conduites de drainage (16, 17) qui débouchent dans le réservoir (2) et/ou dans au moins un réservoir de collecte (6) supplémentaire. 2. Système cryogénique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les parties de conduites (9) relativement longues à l'in- térieur du réservoir (2) présentent elles aussi au moins localement une pente descendante en direction de leur extrémité amont. 3. Système cryogénique selon la revendication 1 ou la reven- dication 2, caractérisé par le fait que les orifices de drainage (14, 15) et les conduites de drainage (16) menant au réservoir (2) débouchent côté sortie dans des régions du réservoir qui sont systématiquement balayées lors du remplissage du réservoir, ceci afin d'éliminer par dis- persion et par dissolution les concentrations solides et/ou liquides en fluides étrangers.