Brevet FR2943410A1 — publié le 20100924

La présente invention a pour objet un procédé de mise à disposition de gaz chauds, comprenant la génération de gaz à haute température et le refroidissement desdits gaz à haute température. La présente invention a également pour objet un dispositif de mise à disposition de gaz chauds, convenant à la mise en oeuvre dudit procédé. La présente invention trouve tout particulièrement application dans les domaines techniques ci-après : celui de la correction de trajectoire de missiles ou engins spatiaux et/ou de la modulation de la poussée de tels missiles ou engins spatiaux, celui de l'alimentation en gaz de turbines, celui du gonflage de structures déployables et celui de la pressurisation de réservoirs. Il est connu d'alimenter les systèmes de contrôle de trajectoire de missiles et les turbines (ou plus généralement des dispositifs rotatifs) avec des gaz à haute température issus directement de la combustion de propergols solides. Pour la première application, on peut se référer à la publication " SNPE Matériaux Energétiques technologies for missile defence propulsion systems", F. Dauch, 3rd AAAF International Conference on Missile defence "Challenges in Europe", June 7-9 û Seville-Spain. Pour la deuxième application, la demande de brevet FR 2 862 749 décrit, par exemple, un anneau tournant actionné par les gaz de combustion d'un chargement pyrotechnique pour la mise en rotation d'un turboréacteur. Il faut rappeler que les gaz de combustion des propergols solides ont une température de 1200 K à 2800 K, selon les compositions desdits propergols, et présentent de plus un caractère réducteur. Leur utilisation en direct pour !es applications considérées (sur des durées iongues, est a-dire des dUN.72n'-, Ulffibarite S pour que in dlspc!_itlt approche un erat d'équilibre thermique) neoessite des illdtUI3Upécifiquos, pro ;entant des piopiletes de tenues thermique chimique haut de An'31. lei, pointeaux ,./annaç_)e de '7 c7? Dow- applications de iooulat de 0 hl �i rCi,) 0 olides sont réalisés en nlatér au composites de type SiC ou curbonet ;n ria -aina t le_ I()rpt nnif Clin": itilisanf d, alith u po_ Dans ce contexte, l'homme du métier a bien entendu pensé à interposer, entre le générateur de gaz à haute température et le dispositif utilisant ces gaz, un moyen de refroidissement permettant de ramener [a température desdits gaz (de combustion) en dessous de la limite acceptable pour l'utilisation de matériaux moins couteux, type acier réfractaire. II est connu d'utiliser à cette fin différents types de moyens refroidissement : - des puits thermiques massiques : on fait, par exemple, circuler les gaz à haute température dans un lit de billes métalliques ; - des tubulures munies d'ailettes favorisant l'échange convectif de chaleur : on véhicule les gaz à haute température dans de telles tubulures ; - des échangeurs thermiques à fluide à changement de phase, dans lesquels circulent les gaz à haute température. Ce type d'échangeur est par exemple décrit dans la demande de brevet WO 2005/057119. Dans un tel contexte, la présente invention propose un procédé de mise à disposition de gaz chauds et un dispositif de mise à disposition de gaz chauds (ledit dispositif convenant à la mise en oeuvre dudit procédé) ; lesdits procédé et dispositif étant particulièrement avantageux. Ledit procédé comprend la génération de gaz à haute température et le refroidissement desdits gaz à haute température, refroidissement mis en oeuvre dans des conditions qui augmentent le débit de gaz. Ledit dispositif inclut des moyens de refroidissement qui, notamment associes a un engin utilisateur des aaz type missile ou engin patia 1, ne constituent pas seulement une masse inerte embarquée. Lescias moyens de r efroidissernent dudit di spositit contribuent a la p rtormanc énergétique dudit ongin uti Jsateur. De t~ ls sourit 1C]c l ; c apparaissent clairement à lû considération de description Cl-anres Ledit procédé comprend, de façon classique, la génération de gaz à haute température et le refroidissement desdits gaz à haute température par échange de chaleur avec un liquide, ledit liquide se vaporisant au moins en partie tandis que lesdits gaz à haute température sont refroidis, Selon ledit procédé, de façon caractéristique, les vapeurs résultant de la vaporisation dudit liquide sont au moins en partie additionnées aux gaz (haute température) refroidis, Dans le cadre de la mise en oeuvre du procédé de l'invention : 10 - on génère des gaz à haute température (gaz très chauds, à une température 01), - on refroidit lesdits gaz à haute température par échange de chaleur avec un liquide (liquide à changement de phase), produisant ainsi des vapeurs, 15 - on additionne au moins une partie desdites vapeurs (résultant de la vaporisation dudit liquide de refroidissement) au gaz à haute température refroidis. On met ainsi à disposition des gaz chauds, à une température 02 02 Le choix du liquide (liquide à changement de phase), utilisé pour le refroidissement des gaz à haute température générés, appelé à se vaporiser au moins en partie (généralement en partie seulement), est lié aux conditions de mise en oeuvre du procédé (pression et température dans le dispositif de mise en oeuvre du procédé, quantité de vapeur à générer, performance de l'échangeur thermique, nature des vapeurs compatibles avec l'application...). Ainsi, selon les conditions exactes de mise en oeuvre, les critères dudit choix du liquide portent, par exemple, sur la chaleur latente de vaporisation dudit liquide, sa température d'ébullition, sa densité, sa diffusivité thermique, sa composition, sa réactivité avec le milieu d'utilisation... Le liquide (liquide à changement de phase), utilisé pour le refroidissement des gaz à haute température générés, appelé à se vaporiser au moins en partie (généralement en partie seulement), est avantageusement choisi parmi - l'eau - le composé de formule CF-CF2C(0)CF(CF la notamment roinrlit2TUdll',E; par la c,DCIH sous la marque NC)\,�'f 1.2130 titre de ha uide es.tincteur; - les f-1,diotlupipethets (HFEs), utilisation d ^ ce type 30 omp cluns les transferts thermiqut sont connus. IrIJOIntlo- rio i ,:u 11.2 sompose de formule CF CF C(0)CF(CF tout particulièrement l'utilisation 'IiLi�. I:11'.) i-.. D 1 -"ontï,:!r-1 l'incorporation d'au moins un additif anti-gel, au sein du liquide de refroidissement, peut être opportune. Selon une variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, l'échange de chaleur, entre les gaz à haute température et le liquide de refroidissement, a lieu au sein dudit liquide de refroidissement. Au moins une canalisation, au sein de laquelle les gaz circulent, est immergée dans ledit liquide de refroidissement. Selon une autre variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, l'échange de chaleur, entre les gaz à haute température et le liquide de refroidissement, a lieu au sein d'une mousse renfermant ledit liquide de refroidissement. Dans le cadre de cette variante, ledit liquide de refroidissement peut notamment être inclus dans les pores d'une mousse solide métallique ou dans les pores d'une mousse polymérique de synthèse hydrophile. Au moins une canalisation, au sein de laquelle les gaz circulent, est ainsi immergée dans une mousse (renfermant le liquide de refroidissement). Cette seconde variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, avec une mousse en un Polymère Alvéolaire de synthèse Hydrophile (PAH : voir ci-après), est particulièrement préférée. Les gaz à refroidir circulent dans une telle mousse au travers d'au moins une canalisation et, tandis que le liquide de refroidissement (liquide à changement de phase contenu dans les pores de la mousse) au contact de ladite au moins une canalisation se vaporise et s'échappe de la mousse pour être combiné aux gaz refroidis, le liquide de refroidissement contenu dans ladite mousse à distance de ladite au moins une canalisation migre par capillarité vers ladite au moins une canalisation (chaude). Le procédé de i invention peut être mis en œuvre star un quipement ou une plateforme a assiette fi ie a assiette variable teri vitre, naval, aérien ou spatial) Il est avantageusement mis en wuvre Ji une piateforme a assiette ,ariabie avec le de COntiel-lU fans 1(.': POreS d'Une -nc.H 'hv type PAH (voit Le procédé de l'inventr Pont l'homme du métier a d'ores r pOUr J11in-1C da: chauds des nti c'i trajectoire et:ou de poussée de missiles ou engins spatiaux, - pour alimenter en gaz chauds des turbines, - pour gonfler des structures gonflables déploya bles, - pour pressuriser des réservoirs, éventuellement munis de tuyères. Selon son second objet, la présente invention concerne un dispositif de mise à disposition de gaz chauds. Ledit dispositif convient à la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Ledit dispositif comprend : - des moyens pour générer des gaz à haute température ; - au moins un échangeur de chaleur, renfermant un liquide, alimenté en lesdits gaz à haute température, au sein duquel lesdits gaz sont refroidis par vaporisation dudit liquide, ledit échangeur débitant les gaz refroidis, d'une part et des vapeurs résultant de ladite vaporisation dudit liquide, d'autre part ; - des moyens, en sortie dudit échangeur, pour additionner auxdits gaz refroidis au moins une partie desdites vapeurs ; et - des moyens pour délivrer les gaz chauds constitués desdits gaz refroidis additionnés d'au moins une partie desdites vapeurs à un système utilisateur desdits gaz chauds. Ledit dispositif associe, de façon caractéristique, à un échangeur de chaleur à changement de phase (liquide --->. gaz (vapeurs)) des moyens pour récupérer des vapeurs résultant de la vaporisation du liquide de refroidissement et pour additionner au moins une partie desdites vapeurs aux gaz refroidis. Lesdits moyens sont avantageusement aptes à assurer la récupération et l'addition d'une quantité maximale de vapeurs (de gaz). dispositif de "'invention est généralement agencé dcl Sorte orne dU MOinc, Un e(ncirnLi Ur de chaleur est Jrimentc en lesdits gaz huute temperdture t/,7 du morin une première canaisation et en se qu'ii `,'Pite ( s 1ts qua refroidis et ,dites vapeurs t r eSPC,tl',iuMErnt au pile second e moins une troisième cunalisetion Iacilte roisième canalisation ou moins une desdites troisièmes canalisations hpr-1 `luns lucl te UU rnLlinC ricins Ju moins une" se lit(Iisent in ou(et) "une". Au sein dudit au moins un échangeur de chaleur, on peut trouver n canalisations, montées en parallèles. Au sein dudit au moins un échangeur, la(les) canalisation(s) peu(vent) être spiralée(s) ou munie(s) d'ailettes radiales, en vue de 5 favoriser les échanges thermiques. Les moyens pour générer des gaz à haute température sont avantageusement constitués d'au moins un générateur de gaz pyrotechnique. Un tel générateur comprend, de façon classique, au moins une chambre de combustion équipée d'au moins un dispositif d'allumage. 10 Ladite chambre de combustion convient à la réception et à la combustion d'au moins un chargement de propergol solide ou d'un mélange d'ergols liquide ou gazeux. On préfère souvent utiliser au moins un chargement de propergol solide. Selon un mode de réalisation avantageux du dispositif de 15 l'invention, les moyens pour générer des gaz à haute température sont aménagés au sein dudit au moins un échangeur de chaleur. On peut donc trouver des moyens type générateur(s) de gaz pyrotechnique agencés au sein d'un échangeur de chaleur. Le dispositif gagne ainsi en compacité et l'échange thermique peut être optimisé. 20 Pour ce qui concerne ledit au moins un échangeur de chaleur, il renferme avantageusement une mousse (généralement une mousse solide métallique ou une mousse polymérique de synthèse hydrophile) ladite mousse contenant, elle, dans ses pores, un liquide de refroidissement apte à changer de phase. On a proposé, ci-dessus, une 25 liste non exhaustive de liquides de refroidissement convenables. En référence aux mousses en un Polymère Alvéolaire de synthèse Hydrophile (PAH), in peut indiquer ici que sis type de mmousse nn,t connu dè ilit-'tInr Des mousses de Ce type ont plus parti( UilorqMent été dé( rites dans les documents brevets US 5 16 3 082, FP 2 )05 545, EP 0 315 669 et. 30 \',S) 200 0OS 539 Les PAHs ,,nt rnniCn,tiu,tliW ouvert 'es s :d'ace spécifique 'i une m comprise entre 20 et 30 kge. La capacité d'absorption de massc.ir pAHs titi tvpioue dans ma, h),if ri te, r:At..l 35 s Ci Dillorite citant supencLire à cation. souci, t de forces le liquide se déplace plus ou moins vite dans l , il-touse , vitesse est modulable et dépend de la formulation des PAHs. Dans les PAHs, la répartition volumique de liquide tend à s'uniformiser en tout point, le liquide migre donc des zones plus humides vers les zones plus sèches. Un dispositif de l'invention avec mousse PAH dans un échangeur de chaleur est particulièrement préconisé pour utilisation sur une plateforme (un équipement) à assiette variable. Selon une autre variante de réalisation, plus sommaire, ledit au moins un échangeur de chaleur est un récipient renfermant le liquide de 10 refroidissement apte à se vaporiser. La récupération de vapeurs résultant de la vaporisation du liquide de refroidissement et l'addition desdites vapeurs au gaz refroidis sont mises en oeuvre avec des moyens connus perse. Le dispositif de l'invention comporte également des moyens 15 pour délivrer les gaz refroidis additionnés d'au moins une partie des vapeurs résultant de l'évaporation du liquide de refroidissement au système utilisateur. On a vu ci-dessus qu'un tel système utilisateur peut notamment consister en un système de contrôle de trajectoire et/ou de poussée de missiles ou d'engins spatiaux, en une turbine, un réservoir, 20 éventuellement muni de tuyères ou une structure gonflable déployable. Lesdits moyens de délivrance sont agencés en aval des moyens permettant l'addition desdits gaz refroidis et desdites vapeurs. Il peut notamment s'agir d'une canalisation prolongeant par exemple une seconde canalisation (seconde canalisation, telle que définie ci-dessus), 25 apte à débiter les gaz refroidis au sortir de l'échangeur... L'invention, sous ses deus aspects de procédé et dispositif, est: maintenant decritef de façon nullement limitativ r i erence à l'unique figure annexce 30 La cire 1 montre L n dispositif de l'invention convenant 3 lu T11Se ; ai U'\,ife du pros SU r Une.' à assiette variable. 35 hier [trop ,,e,_ rd Oyerii d'allumage 4 et d'une tuyère 5 débouchant (Le. débitant lesdits gaz G) dans une première canalisation 6. La température des gaz à haute température G en sortie de la tuyère 5 est typiquement comprise entre 1200 et 2300 K pour les compositions de propergol, préférées pour cette application, qui génèrent peu de particules. Une composition constituée de perchlorate d'ammonium et d'un liant polyuréthane est ainsi bien adaptée. Ladite première canalisation 6 pénètre ensuite dans le logement 7 d'un échangeur de chaleur 10 contenant un polymère alvéolaire (une mousse) de synthèse hydrophile (PAH) 8 imbibé et saturé d'eau (L H20). Ladite première canalisation 6 est prolongée dans le logement 7 par plusieurs canalisations 91, 92, 93, 94, agencées en parallèle, afin de favoriser l'échange thermique entre les gaz à haute température véhiculés et l'eau contenue dans le PAH 8. Les canalisations d'échange thermique 91, 92, 93, 94 effectuent un parcours non linéaire dans le logement 7 afin d'augmenter le temps d'échange (la surface d'échange) entre lesdits gaz à haute température et ladite eau contenue dans le PAH 8. Ainsi lesdites canalisations d'échange thermique 91, 92, 93, 94 sont spiralées. Selon une variante non représentée, la au moins une canalisation d'échange thermique peut être munie sur sa circonférence externe d'ailettes radiales (favorisant aussi les échanges thermiques). Les gaz à haute température transportés par les canalisations d'échange thermique 91, 92, 93, 94 sont refroidis au fur et à mesure de leur transit dans ledit logement 7, par échange de chaleur via la paroi desdites canalisations d'échange thermique 91, 92, 93, 94 avec l'eau contenue dans le PAH 8. On a compris que ledit logement 7, ledit PAH 8, l'eau qu'Il ['ferme, et lesdites canalisations 91, 92, 91 constituent l'e( hangrrur dr• 10 Sous leffet de la Calerai apportée par lesdits gus d haute te-0)0H dture transportes, une Fraction de l'eau cont nue dans ledit PAH 8 eSSIOn en .:dPeUr d 'a l-; eue mente clos La vapeur 2.d U LA/ en Sure' =;cio canalisation d'évacuation 1 i connectée sur ledit logement 7. Les :unes du .)n`,r[ un. cuili r ,pan, pi rrrrnanc0 de ; zones du PAH d,Çji ritrid A SSU[::, de. leur parcours dans ledit Logement! , es canalisations cf'ectlange thermique 91, 92, 93, 94 se rejoignent et sont prolongées, hors dudit logement 7, par une canalisation d'apport des gaz refroidis 11. La canalisation d'évacuation 12 de la vapeur d'eau Lu est connectée par un raccord 13 à la ladite canalisation d'apport des gaz refroidis 11. Après ledit raccord 13, la canalisation d'apport de gaz véhicule un mélange entre les gaz à haute température refroidis G' et l'eau vaporisée Lv issus du logement 7 contenant le PAH 8 imbibé d'eau. Un tel mélange G'+Lv peut typiquement être à une température de 800 à 900 K. Ladite canalisation d'apport de gaz 11' est connectée à un dispositif utilisateur 14 ou 15. Il peut par exemple s'agir d'une turbine à gaz 14 ou d'un réservoir 15 équipé de tuyères 16 à col variable servant à moduler la poussée d'un engin. Selon une variante avantageuse (non représentée) améliorant la compacité du dispositif, le générateur de gaz 1 peut être inclus dans le logement 7 de l'échangeur thermique 10. On concoit qu'un dispositif de l'invention, tel que montré sur la figure 1, présente l'avantage : - de ne pas comporter d'éléments sous pression avant son utilisation opérationnelle (démarrant à l'allumage du générateur de gaz), - de ne pas comporter de pièces mobiles, et - de fonctionner quelle que soit son assiette. Le tableau 1 ci-après présente un bilan énergétique, montrant l'intérêt du procédé de l'invention en termes de masse embarquée. Le dimensionnement des valeurs dudit tableau 1 a été réalisé en considérant une turbine devant produire une puissance de 2,8 MW pendant 90 s, soit une énergie de 257 M3. La turbine doit: être alimentée par des gaz à une température de 900 K sous 9 bars. Les gaz ressortent ue id turbine à une pression de bar, ayant subi une détente isentropique 'iyeothese implificatric gaz à haute température sont is us de a combustion d'un de t Butaite ierchinre M�Pi..JP1 ijnt lyuréthane). Ils sont générés a température c 1972 t a 9 bars. Pour a hauiiH I.Jsgu K (lUl. chah:Hui- 42.37 i de nrope est appris-yen-lé à ). On apporte donc la quantité d'eau (environ 1 kg d'eau 2943410 Il par kg de propergol) nécessaire pour ramener la température des gaz de combustion du propergol jusqu'à la température requise de 900K. Dans le cas 1 du tableau 1 (1ère ligne), l'eau transformée en vapeur, utilisée pour refroidir les gaz produits par le propergol, n'est pas 5 apportée à la turbine. Seuls les gaz refroidis le sont. Dans le cas 2 du tableau 1 (2ème ligne), selon l'invention, l'eau transformée en vapeur, utilisée pour refroidir les gaz produits par le propergol, et les gaz de propergol refroidis à 900K sont apportés à la turbine. 10 L'indice adiabatique y des gaz introduits dans la turbine est différent dans chaque cas, la température des gaz en sortie de la tuyère, après une détente isentropique de 9 bars à 1 bar, est donc différente. Pour atteindre la quantité d'énergie à fournir à la tuyère, il faut dans le cas 1 consommer 474 kg de propergol et utiliser 550 kg d'eau (à 15 fluide perdu) et dans le cas 2 consommer 192 kg de propergol et utiliser 235 kg d'eau (injecté dans la turbine sous forme de vapeur à 900 K). La quantité totale de masse (propergol + eau) embarquée dans le générateur de gaz équipé de son dispositif de refroidissement est donc pour le cas 1 de 1024 kg et de 427 kg pour le cas 2, ce qui montre tout 20 l'intérêt de l'invention. Détente isentropique de 9 bars à 1 bar TI' Température Température de sortie Energie Débit de gaz Masse pour fournir 2,8 MW d'entrée dans de la turbine délivrée pour fournir pendant 90s la turbine (K.) /kg de 2,8 MW gaz) 900 K 723 K 532 5,26 474 kg de propergol et 550 kg d'eau _d. 900K 584 K 694 4,03 192 kg de propei go! et 235 kg d'eau Tableau 1 REVENDICATIONS1. Procédé de mise à disposition de gaz chauds (G") 5 comprenant - la génération de gaz à haute température (G); - le refroidissement desdits gaz à haute température (G) par échange de chaleur avec un liquide (L), ledit liquide (L) se vaporisant au moins en partie tandis que lesdits gaz à haute température (G) sont 10 refroidis ; et étant caractérisé en ce que les vapeurs (Lv) résultant de la vaporisation dudit liquide (L) sont au moins en partie additionnées aux gaz refroidis (G�. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits gaz à haute température (G) sont générés par au moins un générateur de gaz pyrotechnique (1). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que 20 ledit liquide (L) est choisi parmi l'eau, le composé de formule CF3CF2C(0)CF(CF3)2 et les hydrofluoroéthers. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit liquide (L) est inclus dans les pores d'une 25 mousse solide métallique ou dans les pores d'une mousse polymérique de synthèse hydrophile, (8). rocéde selon :une quelconque des rendications 1 caractérisé en ce qu'Il est mis en oeuvre pour aiimciiiter en gaz chauds un systeme lie poussée et de correction de rariecu.Dire d'un missile main 9o,, alimenter en gaz chauds unv -uri.ian pour gonfler une structure gonflable déployable ou i'Dour pi ssunser un 1 mini 35 Dispositif mis. 3posi,ii ri., haucis -Dunant la mise en if Livre dLI procédé selon i 'une quelconque Crevendications 1 à 5, caractérisé en qu'il comprend - des moyens (1) pour générer des gaz à haute température (G) ; - au moins un échangeur de chaleur (10), renfermant un liquide (L), alimenté en lesdits gaz à haute température (G), au sein duquel lesdits gaz (G) sont refroidis par vaporisation dudit liquide (L), ledit échangeur (10) débitant les gaz refroidis (G'), d'une part et des vapeurs (Lv) résultant de ladite vaporisation dudit liquide (L), d'autre part - des moyens (13), en sortie dudit échangeur (10), pour additionner auxdits gaz refroidis (G') au moins une partie desdites vapeurs (Lv) ; et - des moyens (111) pour délivrer les gaz chauds (G") constitués desdits gaz refroidis (G') additionnés d'au moins une partie desdites vapeurs (Lv) à un système utilisateur (14,15) desdits gaz chauds (G"). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit au moins un échangeur de chaleur (10) est alimenté en lesdits gaz à haute température (G) via au moins une première canalisation (6) et en ce qu'il débite lesdits gaz refroidis (G') et lesdites vapeurs (Lv) via respectivement au moins une seconde canalisation (11) et au moins une troisième canalisation (12) ; ladite troisième canalisation (12) ou au moins une desdites troisièmes canalisations débouchant dans ladite seconde canalisation (11) ou dans au moins une desdites secondes canalisations. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits moyens (1) pour générer des gaz à haute température (G) 25 consistent en au moins un générateur pyrotechnique (1). 9. Dispositif selon l'une quelconque des eyindicatio 6 à 8, caracterise ce que iesdits moyens pour générer des gaz à haute teMpéHtLli-e SOrlt J(Tl 'flac e5 u S'elrl dudit au moins éChii3r1geUr de chaleur. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 a dit un Ci id r11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que ledit système utilisateur est choisi parmi un système de poussée et/ou de correction de trajectoire d'un missile ou d'un engin spacial, une turbine (14), une structure gonflable déployable ou un réservoir (15), éventuellement muni de tuyères (16).