Brevet FR2866929A1 — publié le 20050902

SYSTEME DE POMPAGE D'UN FLUIDE CRYOGENIQUE La présente invention concerne un système de pompage d'un fluide cryogénique. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du pompage de fluides cryogéniques peu denses, tels que l'hydrogène et l'hélium, ainsi que leurs isotopes. Pour comprimer de l'hydrogène, par exemple, on préfère, d'une manière générale, effectuer une compression par pompage de l'hydrogène liquide que de l'hydrogène gazeux, étant donné qu'il est plus facile de comprimer un volume de liquide qu'un volume de gaz, ce qui conduit par là ro même à une diminution des coûts de compression. Toutefois, la génération d'hydrogène sous haute pression reste extrêmement coûteuse en terme d'énergie de compression. Les pertes par évaporation d'hydrogène liquide dans une pompe cryogénique peuvent aussi être importantes dans le cas où la pompe n'est pas utilisée de façon optimale. La réduction de ces pertes est un point essentiel pour optimiser les coûts d'obtention d'hydrogène sous haute pression. Un des problèmes posés par les pompes cryogéniques en général, et les pompes d'hydrogène liquide en particulier, réside dans le fait que les fluides cryogéniques sont très peu denses, 70 gll à 1 bar pour l'hydrogène par exemple. Cette densité très faible a pour conséquence d'entraîner un certain nombre d'inconvénients: - d'une part, il est impossible de fournir à la pompe cryogénique la compensation de perte de charge d'entrée requise (appelée NPSH pour Net Positive Suction Head ) par une simple installation physique du réservoir cryogénique source en charge sur le système de pompage. Par exemple, un pompe d'hydrogène liquide LH2 700 bar a un NPSH d'environ 250 mbar, ce qui correspond à une hauteur d'hydrogène liquide de 35 m. On comprend alors qu'il n'est pas possible de faire fonctionner la pompe avec un réservoir source installé en charge sur la pompe à une hauteur de 35 m; les pertes de charge en ligne compenseraient en effet l'installation en charge du réservoir. - d'autre part, l'hydrogène liquide saturé à basse pression est plus dense que l'hydrogène liquide saturé à haute pression. Par exemple, la densité de l'hydrogène saturé est, on l'a vu, de 70 g/l à 1 bar, mais elle n'est plus que de 56 gll à 7 bar. Sachant que les pompes cryogéniques sont des pompes volumétriques, on en conclut qu'afin d'augmenter les quantités de fluide cryogénique pompé il y a intérêt à rendre le fluide le plus dense possible, donc à l'aspirer par la pompe à une pression le plus basse possible. l0 Aussi, un problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant un réservoir de fluide cryogénique, une pompe cryogénique présentant une perte de charge d'entrée et une ligne d'aspiration reliant ledit réservoir à ladite pompe, qui permettrait de remédier aux inconvénients liés à la faible densité des fluides cryogéniques en terme de compensation de la perte de charge d'entrée des pompes cryogéniques et de quantités de fluide cryogénique aspiré. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système de pompage comprend des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne d'aspiration au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe cryogénique. On obtient de cette manière un sous-refroidissement du fluide cryogénique et une aspiration du fluide ainsi sous-refroidi. La compensation de perte de charge d'entrée est ainsi réalisée, évitant tout phénomène de cavitation, tandis que le fluide est maintenu à une pression suffisamment faible pour rendre maximum la densité du fluide et donc la quantité pompée, ceci contrairement aux systèmes existants pour lesquels aucun contrôle n'est effectué sur la pression d'aspiration, le réservoir étant pressurisé une fois pour toutes et la pression toujours supérieure au minimum théorique pour obtenir une densité optimale. Selon un mode de réalisation du système de pompage, objet de l'invention, lesdits moyens de contrôle de pression comprennent une vanne de pressurisation et une vanne de dépressurisation du réservoir de fluide cryogénique. Plus spécialement, l'invention prévoit que lesdits moyens de contrôle comprennent un capteur de pression et un capteur de température du fluide cryogénique dans la ligne d'aspiration, reliés à un bloc de contrôle apte à commander lesdites vannes de pressurisation et de dépressurisation. Dans ce dernier cas, il est envisagé par l'invention que lesdits moyens de contrôle comprennent un bloc de calcul apte à calculer à partir de la température mesurée par ledit capteur de température une valeur minimale de io la pression mesurée par ledit capteur de pression égale à la pression de saturation du liquide à ladite température augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe. Un autre problème technique que se propose de résoudre l'invention concerne la possibilité de réaliser un fonctionnement en continu du système de pompage conforme à l'invention, les systèmes connus ne permettant pas un tel fonctionnement puisque la pompe doit être arrêtée à chaque fois que le réservoir est vide afin de le remplir et le mettre en pression avant de redémarrer la pompe. La solution à ce problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système comprend une pluralité de réservoirs de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir. La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure 1 est un schéma d'un système de pompage d'un fluide cryogénique conforme à l'invention. Sur la figure 1 est représenté un système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant essentiellement deux réservoirs cryogéniques 8a, 8b montés en parallèle sur une même pompe 18 de fluide cryogénique liquide, chaque réservoir 8a, 8b étant reliés à ladite pompe 18 par une ligne 23a, 23b d'aspiration respective. De l'hydrogène liquide saturé avec sa vapeur provenant d'une source 1 est introduit dans une ligne 2 isolée sous vide du système de pompage par l'intermédiaire d'une vanne 3 d'isolement de la source 1. Ce liquide est utilisé pour remplir successivement les réservoirs 8a, 8b, selon un mode de fonctionnement en continu qui sera détaillé plus loin dans la description. Dans un premier temps, on supposera que le réservoir cryogénique 8a est rempli. La vanne 4a de remplissage du réservoir 8a est alors fermée, les vannes 10a de purge et 11 a de retour bypass du réservoir 8a sont ouvertes, tandis que les vannes 10b de purge et 11 b de retour bypass du réservoir 8b ro sont fermées. La pompe cryogénique 18 est en fonctionnement, la pression 19 de refoulement étant contrôlée par une vanne 21 de régulation du fluide haute pression située après un échangeur 20 apte à vaporiser du fluide haute pression. La pression d'aspiration de la pompe mesurée par un capteur 14 de pression est contrôlée par des moyens de contrôle de façon à ce que la température mesurée dans la ligne 23a par un capteur 16 de température soit inférieure à la température de saturation du liquide cryogénique correspondant à cette pression. Plus précisément, les moyens de contrôle comprennent un bloc 17 de calcul de la valeur minimale de la pression 14 sur la ligne 23a d'aspiration telle que cette pression soit égale à la pression de saturation du liquide à la température 16 augmentée de la perte de charge d'entrée NPSH de la pompe 18. Afin de maintenir la pression mesurée par le capteur 14 à la valeur de consigne déterminée par le bloc 17 de calcul, un bloc 15 de contrôle commande l'ouverture ou la fermeture d'une vanne 12a de pressurisation ou d'une vanne 7a de dépressurisation du réservoir 8a, le sélecteur 13 étant en position A puisque le réservoir 8a en cours de pompage est à ce moment le réservoir 8a. On observera sur la figure 1 que la pressurisation du réservoir 8a, de même que celle du réservoir 8b, est réalisée au moyen d'une source 22 de gaz sous pression. Avantageusement, le gaz de pressurisation de la source 22 de gaz sous pression est une partie du fluide pressurisé par la pompe 18. II résulte de ce qui précède que la pompe 18 est efficacement protégée contre la cavitation et qu'en même temps le fluide pompé est le plus dense possible, conformément au but recherché par l'invention. Entre temps, le deuxième réservoir 8b est rempli de fluide liquide 5 saturé avec sa vapeur. Lorsque le réservoir 8a est vide, le détecteur 9a de niveau bas devient actif et le système ferme la vanne 4b puis ouvre les vannes 10b de purge et 11 b de retour bypass du réservoir 8b. Les vannes 10a et 11 a sont fermées et le réservoir 8a est rempli via la vanne 4a de remplissage, tandis que la séquence de pompage et de contrôle de la pression du réservoir 8b commence. On obtient ainsi une production en continu de fluide cryogénique sous pression. 6 REVENDICATIONS 1. Système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant au moins un réservoir (8a,8b) de fluide cryogénique, une pompe (18) cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée et une ligne (23a,23b) d'aspiration reliant ledit réservoir (8a,8b) à ladite pompe (18), caractérisé en ce que ledit système de pompage comprend des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne (23a,23b) d'aspiration au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la io perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique (18). 2. Système de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de pression comprennent une vanne (12a,12b) de pressurisation et une vanne (7) de dépressurisation du réservoir (8a,8b) de fluide cryogénique. 3. Système de pompage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un capteur (14) de pression et un capteur (16) de température du fluide cryogénique dans la ligne (23a,23b) d'aspiration, reliés à un bloc (15) de contrôle apte à commander lesdites vannes de pressurisation (12a,12b) et de dépressurisation (7). 4. Système de pompage selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un bloc (17) de calcul apte à calculer à partir de la température mesurée par ledit capteur (16) de température une valeur minimale de la pression mesurée par ledit capteur (14) de pression égale à la pression de saturation du liquide à ladite température augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe (18). 5. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit système comprend une pluralité de réservoirs (8a,8b) de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir. 6. Système de pompage selon l'une quelconque des revendication 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits réservoirs (8a,8b) sont remplis de fluide cryogénique saturé avec sa vapeur. 7. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique est un fluide peu dense. 8. Système de pompage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique peu dense est de l'hydrogène ou de l'hélium. s 9. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la pressurisation du réservoir (8a,8b) est réalisée au moyen d'une source (22) de gaz sous pression. 10. Système de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gaz de pressurisation de la source (22) de gaz sous pression est une partie io du fluide pressurisé par la pompe (18).