Brevet FR3031801A1 — publié le 20160722

Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine du réchauffement de fluides, notamment de fluides cryogéniques. Dans certains domaines, et notamment dans ceux impliquant la gestion de fluides cryogéniques, il est nécessaire de chauffer un débit de fluide jusqu'à une température précise. Quand on ne dispose que d'une source de chaleur de température sensiblement plus élevée, il peut être difficile d'atteindre la température souhaitée du fluide chauffé avec une précision satisfaisante. Pour cela, il est notamment connu de dériver une partie du fluide en amont de la source de chaleur, afin de le réincorporer en aval au fluide chauffé pour revenir à une température visée moins élevée. Toutefois, il est alors important d'assurer un bon mélange du fluide dérivé en amont de la source de chaleur au fluide chauffé, afin d'obtenir une température homogène dans l'ensemble du fluide. Ceci est notamment important quand le but recherché est un changement de phase : si le fluide chauffé passe à l'état gazeux, tandis que le fluide dérivé reste à l'état liquide, un mélange imparfait résulte en un fluide biphasique, plutôt qu'un fluide gazeux homogène. Avec des conduits suffisamment longs en aval de la réincorporation du fluide dérivé, le transfert de chaleur entre le fluide dérivé et le fluide chauffé peut assurer l'homogénéisation des deux fluides. Toutefois, dans certaines applications, notamment dans le domaine aérospatial, l'encombrement et la masse supplémentaires liés à des tels conduits sont inacceptables. Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à remédier à ces inconvénients. En particulier, cette divulgation vise à proposer un dispositif de réchauffement de fluide, comprenant un échangeur de chaleur avec un conduit d'entrée et un conduit de sortie ainsi qu'une dérivation reliant le conduit d'entrée au conduit de sortie sans traverser l'échangeur de chaleur, et qui, avec un faible encombrement, permette d'obtenir un débit de fluide chauffé de 3 0 3 1 80 1 2 manière homogène à une température sensiblement plus basse qu'une source de chaleur de l'échangeur de chaleur. Dans au moins un mode de réalisation, ce but est atteint grâce au fait que le dispositif de réchauffement comporte en outre un mélangeur 5 disposé en aval du conduit de sortie et comprenant au moins un organe générateur de turbulences. Grâce à ces dispositions, il est possible d'assurer une homogénéisation effective de la température du fluide avec un faible encombrement. 10 Ledit organe générateur de turbulences peut comprendre au moins une paroi intérieure ondulée du mélangeur. En particulier, ledit organe générateur de turbulences pourrait être formé par un tube à parois ondulées installé dans le mélangeur dans le sens d'écoulement du fluide. Ceci offre un moyen simple de générer des turbulences effectives pour le 15 mélange du fluide chauffé par l'échangeur de chaleur avec celui ayant contourné ce dernier à travers la dérivation. Afin d'encore augmenter l'efficacité du mélangeur, une section d'écoulement du fluide dans le mélangeur peut être sensiblement supérieure à une section d'écoulement du fluide dans le conduit de sortie 20 directement en amont du mélangeur. La vitesse d'écoulement de fluide dans le mélangeur peut ainsi être sensiblement ralentie, augmentant ainsi l'efficacité de l'organe générateur de turbulences et le temps de demeure du fluide dans le mélangeur. Afin de permettre un calibrage précis du débit de fluide chauffé par 25 ce dispositif de réchauffement, il peut comprendre en outre un organe de restriction de débit situé en aval du mélangeur. Cet organe de restriction de débit situé en aval du mélangeur peut notamment être une buse sonique. Afin de permettre également un calibrage précis du rapport entre le 30 débit de fluide traversant l'échangeur de chaleur et celui le contournant à travers la dérivation, et donc de la température de sortie du fluide du dispositif de réchauffement, celui-ci peut comprendre en outre un organe de restriction de débit dans la dérivation. En particulier, l'organe de restriction de débit de la dérivation peut être échangeable, ce qui permet 35 de calibrer ce rapport pour obtenir une température de sortie souhaitée par simple remplacement de l'organe de restriction de débit de la 3 0 3 1 80 1 3 dérivation. L'organe de restriction de débit de la dérivation peut notamment comprendre un orifice calibré, qui offre un moyen particulièrement simple de restreindre le débit de fluide traversant la dérivation. 5 Enfin, l'échangeur de chaleur peut notamment être un serpentin, qui offre un moyen efficace de transférer de la chaleur d'un fluide plus chaud à celui alimentant cet échangeur de chaleur. L'invention concerne également un procédé de vaporisation d'un débit de liquide avec le dispositif de réchauffement susmentionné, dans 10 lequel un débit principal de liquide traverse l'échangeur de chaleur et y est vaporisé et surchauffé, tandis qu'un débit secondaire de liquide est dérivé à travers ladite dérivation, les débits principal et secondaire se rejoignant ensuite dans le conduit de sortie en aval de l'échangeur de chaleur et sont mélangés dans ledit mélangeur de manière à assurer le passage en phase 15 gazeuse du débit secondaire. Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, 20 à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un moteur-fusée à ergols liquides ; 25 - la figure 2 est une représentation schématique d'une turbopompe du moteur-fusée de la figure 1, munie d'un dispositif de réchauffement suivant le mode de réalisation ; et - la figure 3 est une représentation schématique de l'échangeur de chaleur du dispositif de réchauffement de la figure 2. 30 Description détaillée de l'invention La figure 1 montre une vue schématique d'un moteur-fusée 1 à ergols liquides. Ce moteur-fusée 1 comprend une chambre de combustion 35 2, prolongée par une tuyère convergente-divergente 3, ainsi qu'une première turbopompe 4, une deuxième turbopompe 5 et un générateur de gaz 6 destinés à assurer l'alimentation en ergols de la chambre de combustion 2 à partir de réservoirs correspondants (non illustrés). Chacune des turbopompes comprend au moins une pompe et une turbine reliées par un arbre rotatif commun, de manière à ce que la pompe puisse être actionnée par la turbine à travers l'arbre rotatif. En fonctionnement, un premier ergol liquide, qui peut par exemple être un ergol cryogénique comme l'hydrogène liquide, est pompé par la première turbopompe 4 vers la chambre de combustion 2 et vers le générateur de gaz 6. Un deuxième ergol, qui peut aussi être un ergol cryogénique comme l'oxygène liquide, est pompé par la deuxième turbopompe 5 aussi vers la chambre de combustion 2 et vers le générateur de gaz 6. Dans la chambre de combustion 2, une réaction chimique exothermique entre les deux ergols génère des gaz de combustion à haute température, accélérés ensuite à vitesse supersonique par leur détente dans la tuyère 3, de manière à générer une poussée par réaction dans le sens opposé. Comme illustré, les parois de la tuyère 3 peuvent être refroidies par les ergols avant leur injection dans la chambre de combustion 2. D'autre part, la fraction des ergols alimentant le générateur de gaz 6 y réagit aussi de manière exothermique pour générer des gaz de combustion à haute température, dont la détente dans les turbines des deux turbopompes 4, 5 en assure l'actionnement. Des moteurs-fusées suivant des configurations différentes sont également envisageables. Ainsi, par exemple, dans les moteurs-fusées dits à cycle expandeur, les turbopompes ne sont pas actionnées par des gaz de combustion provenant d'un générateur de gaz, mais par au moins un des ergols après avoir été chauffé par de la chaleur générée dans la chambre de combustion. La présente invention est également applicable dans ces configurations alternatives. La figure 2 illustre une vue schématique de la première turbopompe 30 4, qui comporte au moins une pompe 4a et une turbine 4b reliées par un arbre rotatif commun 4c, dans un carter 4d avec un conduit d'évacuation 7 en aval de la turbine 4b. La turbopompe 4 comprend aussi un circuit 8 de prélèvement et injection avec un dispositif de réchauffement 9 pour prélever un débit 35 d'ergol liquide en aval de la pompe 4a, le réchauffer et le réinjecter à l'état gazeux dans un système d'étanchéité dynamique 10 situé autour de l'arbre rotatif 4c, entre la pompe 4a et la turbine 4b, de manière à éviter des fuites de liquide cryogénique de la pompe 4a vers la turbine 4b, où elles pourraient causer des vibrations indésirables. Le dispositif de réchauffement 9 comprend un échangeur de chaleur 11 avec un conduit d'entrée 12 et un conduit de sortie 13, et une dérivation 14 reliant le conduit d'entrée 12 au conduit de sortie 13 sans traverser l'échangeur de chaleur 11. L'échangeur de chaleur 11, qui est illustré en détail sur la figure 3, adopte la forme d'un serpentin de plusieurs spires hélicoïdales. Dans le mode de réalisation illustré, il est installé à l'intérieur du conduit d'évacuation 7 de manière à pouvoir transférer de la chaleur des gaz chauds en aval de la turbine 4b à l'ergol circulant dans le circuit 8. Le dispositif de réchauffement 9 comprend aussi des organes de restriction de débit 15, 16 situés, respectivement, dans la dérivation 14 et en aval du conduit de sortie 13, ainsi qu'un mélangeur 17 situé entre le conduit de sortie 13 et le deuxième organe de restriction de débit 16. Les organes de restriction de débit 15, 16 permettent de calibrer le débit d'ergol prélevé en aval de la pompe 4a et réinjecté dans le système d'étanchéité dynamique 10, ainsi que la température à laquelle il sera réinjecté. Le premier organe de restriction de débit 15 peut être, par exemple, un simple étranglement avec un orifice calibré. Il peut en particulier être échangeable, de manière à pouvoir changer la proportion entre le débit d'ergol dérivé à travers la dérivation 14 et celui chauffé dans l'échangeur de chaleur 11 et, de cette manière, la température du mélange de ces deux débits lors de leur réinjection dans le système d'étanchéité dynamique 10. Le deuxième organe de restriction de débit 16 peut être notamment une buse sonique, offrant ainsi un calibrage très précis et constant du débit destiné à être réinjecté dans le système d'étanchéité dynamique 10. Le mélangeur 17 comprend un tube 18 à parois ondulées pour générer des turbulences dans l'écoulement de fluide. Il présente une section d'écoulement de fluide sensiblement plus large que le conduit de sortie 13 de l'échangeur 11 directement en amont. Ainsi, l'élargissement brusque de la section d'écoulement du fluide en entrant dans le mélangeur 17 depuis ledit conduit de sortie 13 génère des turbulences supplémentaires renforçant l'effet du mélangeur. Le circuit 8 de prélèvement et injection comprend en outre un point de prélèvement 19 situé en aval de la pompe 4a et connecté audit conduit d'entrée 12, ainsi qu'un conduit d'injection 20, sur lequel débouche ledit deuxième organe de restriction de débit 16. Ce conduit d'injection 20, qui débouche à son tour sur au moins un point d'injection 21 situé à proximité de l'arbre 4c, entre la pompe 4a et la turbine 4b, peut être connecté en amont à une source de gaz inerte (non illustrée), comme par exemple un réservoir d'hélium et comprendre, en amont de sa connexion 22 au dispositif de réchauffement 9, un clapet anti-retour 23 pour empêcher le passage vers cette source de gaz inerte du fluide prélevé en aval de la pompe 4a et chauffé par le dispositif de réchauffement 9. Ainsi, en fonctionnement, de l'ergol liquide pompé par la pompe 4a est prélevé à une pression po de, par exemple, 18 MPa, et à une température To de, par exemple, 40 K, au point de prélèvement 19. Il passe ensuite par le conduit d'entrée 12 du dispositif de réchauffement 9, où un débit secondaire de cet ergol liquide est dérivé à travers la dérivation 14, tandis que le débit principal continue vers l'échangeur de chaleur 11. Le rapport V1/V2 entre le débit (volumique) principal et le débit (volumique) secondaire est déterminé par le premier organe de restriction de débit 15 et peut être, par exemple, de 2,5 Dans l'échangeur de chaleur 11, le débit principal d'ergol liquide est chauffé par les gaz de combustion provenant du générateur de gaz 6 à une température Tc de, par exemple 600 K, ce débit principal d'ergol liquide atteignant ainsi une température T1 de, par exemple, 350 K. Par ce réchauffement, ce débit principal passe aussi de l'état liquide à l'état gazeux. Le débit secondaire, qui est resté à l'état liquide à essentiellement sa température initiale To se réincorpore ensuite au débit principal dans le conduit de sortie 13. Ils arrivent ainsi ensemble, sous la forme d'un écoulement biphasique gaz-liquide, au mélangeur 17, dans lequel l'élargissement brusque de la section d'écoulement et la forme ondulée des parois du tube 18 vont opérer un mélange complet du débit secondaire avec le débit principal et, en conséquence le passage en phase gazeuse du débit secondaire. En sortie de ce mélangeur 17 on obtient ainsi un débit gazeux homogène à une température T2 de, par exemple, 300 K. Ce débit gazeux homogène passe ensuite par le deuxième organe de restriction de débit 16, en aval duquel il arrive au conduit d'injection 20 à une température Ti de, par exemple, 300 K, et une pression pi de, par exemple, 3,5 MPa, pour être injecté entre la pompe 4a et la turbine 4b à travers l'au moins un point d'injection 21, de manière à éviter la filtration d'ergol liquide de la pompe 4a vers la turbine 4b et modifier la fréquence de l'arbre. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur cet exemple sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.15 REVENDICATIONS1. Dispositif (9) de réchauffement de fluide, comportant au moins : un échangeur de chaleur (11) avec un conduit d'entrée (12) et un conduit de sortie (13) ; et une dérivation (14) reliant le conduit d'entrée (12) au conduit de sortie (13) sans traverser l'échangeur de chaleur (11) ; et caractérisé en ce qu'il comporte en outre un mélangeur (17) disposé en 10 aval du conduit de sortie (13) et comprenant au moins un organe générateur de turbulences. 2. Dispositif de réchauffement (9) suivant la première revendication, dans lequel ledit organe générateur de turbulences comprend au moins une paroi intérieure ondulée du mélangeur. 15 3. Dispositif de réchauffement (9) suivant la première revendication, dans lequel une section d'écoulement du fluide dans le mélangeur (17) est sensiblement supérieure à une section d'écoulement du fluide dans le conduit de sortie (13) directement en amont du mélangeur (17). 20 4. Dispositif de réchauffement (9) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un organe de restriction de débit (16) situé en aval du mélangeur. 5. Dispositif de réchauffement (9) suivant la revendication 4, dans lequel ledit organe de restriction de débit (16) en aval du mélangeur (17) 25 est une buse sonique. 6. Dispositif de réchauffement (9) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un organe de restriction de débit (15) dans la dérivation (14). 7. Dispositif de réchauffement (9) suivant la revendication 6, dans 30 lequel l'organe de restriction de débit (15) de la dérivation (14) est échangeable. 8. Dispositif de réchauffement (9) suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel l'organe de restriction de débit (15) de la dérivation (14) comprend un orifice calibré. 9. Dispositif de réchauffement (9) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'échangeur de chaleur (11) est un serpentin. 10. Procédé de vaporisation d'un débit de liquide avec un dispositif 5 de réchauffement (9) suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un débit principal de liquide traverse l'échangeur de chaleur (11) et y est vaporisé et surchauffé, tandis qu'un débit secondaire de liquide est dérivé à travers ladite dérivation (14), les débits principal et secondaire se rejoignant ensuite dans le conduit de sortie (13) 10 en aval de l'échangeur de chaleur (11) et sont mélangés dans ledit mélangeur (17) de manière à assurer le passage en phase gazeuse du débit secondaire. 15