Brevet FR3037120A1 — publié le 20161209

La présente invention concerne un réservoir de gaz sous pression. L'invention concerne plus particulièrement un réservoir de gaz sous pression explosif, notamment d'acétylène, comprenant une paroi délimitant un volume de stockage abritant une masse poreuse. Les réservoirs d'acétylène comprennent généralement une masse poreuse et éventuellement un solvant (par exemple l'acétone ou du diméthylformam ide) dans lequel le gaz est stocké (dissout). Dans certaines applications cependant, le réservoir peut ne pas contenir de solvant. La masse poreuse (par exemple du métasilicate de calcium associé à des fibres de carbone) a pour fonction de répartir le solvant éventuellement présent et de limiter ou empêcher la décomposition de l'acétylène. Des masses poreuses classiques ont une porosité de 90%. C'est-à-dire que le volume solide occupé par la masse poreuse représente environ 10% du volume de stockage. Le processus de dissolution d'acétylène dans le solvant est réalisé en pressurisant l'acétylène dans le réservoir à une pression de l'ordre de 20bar. Durant ce processus, la température du réservoir augmente en conséquence de l'augmentation de la pression et de la chaleur dégagée par la dissolution du gaz dans le solvant. Pour des raisons de sécurité, la température du réservoir ne doit pas excéder un seuil, par exemple 60°C ou 65°C. Pour éviter un échauffement excessif, le remplissage est réalisé lentement (pendant 6 à 12 heures) en alternant des phases de remplissage et des phases de refroidissement. Lors de l'utilisation d'un tel réservoir rempli, le soutirage de gaz a des effets thermiques inverses. C'est-à-dire qu'un refroidissement se produit du fait de la baisse de pression et de la désorption du gaz. Les conditions d'utilisation de tels réservoirs sont donc limitées en fonction de ces contraintes de température. Une solution connue consiste à prévoir des échangeurs de chaleurs pour évacuer la chaleur produite/réchauffer le réservoir selon les phases d'utilisation. Une autre solution consiste à refroidir les réservoirs lors des remplissages. Ces solutions ont cependant coûteuses et insuffisamment efficaces. 3037120 2 Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le réservoir selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en 5 ce qu'il contient, dans le volume de stockage, un volume déterminé de matériau à changement de phase (« PCM ») ») ayant une température de changement de phase comprise entre 40°C et 65°C. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 10 - le matériau à changement de phase (« PCM ») est configuré pour absorber et stocker de l'énergie à une première température comprise entre 40°C et 65°C et de préférence entre 45°C et 55°C, - le matériau à changement de phase (« PCM ») est configuré pour restituer et libérer l'énergie stockée à une seconde température comprise entre 0°C et 15 35°C et de préférence entre 5°C et 35°C, - le matériau à changement de phase (« PCM ») est configuré pour restituer et libérer l'énergie stockée à une seconde température comprise dans l'un au moins des intervalles suivants : entre 5°C et 15°C, entre 10°C et 20°C, entre 15°C et 25°C, entre 20 et 35°C, 20 - le matériau à changement de phase (« PCM ») est constitué d'un unique matériau à changement de phase à une température déterminée ou d'un mélange de matériaux à changement de phase différents ayant des températures de changement de phase respectives distinctes, - le matériau à changement de phase (« PCM ») est constitué de l'un au 25 moins parmi : un sel hydraté, une cire de paraffine, un acide gras, un polymère, un aromatique, - le réservoir comprend au moins un support solide disposé dans le volume de stockage au sein de la masse poreuse, le matériau à changement de phase étant intégré audit au moins un support, 30 - le matériau à changement de phase est encapsulé dans une ou des cavités étanche du au moins un support, - le au moins un support forme un maillage en trois dimensions, - le au moins un support a une structure en forme de nid d'abeille, 3037120 3 - le au moins un support a une structure d'un maillage en feuille(s) ou plaque(s) alvéolée(s) enroulée(s) sur elle(s)-même, - le au moins un support est constitué de l'au au moins des matériaux suivants : d'une enveloppe métallique, fabriquée en un matériel ayant une 5 conductivité thermique supérieure à 15 W/m/K, notamment en acier inoxydable, cuivre, alliage métallique, - le au moins un support est installé à l'intérieur du réservoir préalablement à la formation de la masse poreuse. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif 10 comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe verticale, schématique et partielle, illustrant un exemple de structure de réservoir selon l'invention, 15 - la figure 2 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un premier exemple de réalisation possible de support utilisé dans un réservoir selon l'invention, - la figure 3 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant un deuxième exemple de réalisation possible de support utilisé dans un 20 réservoir selon l'invention, - la figure 4 représente une vue en perspective, schématique et partielle, d'un détail du support de la figure 3, - la figure 5 représente une vue en coupe, schématique et simplifiée, d'un détail de la structure support des figures 2 à 4. 25 Le réservoir 1 représenté à la figure 1 comprend une paroi 2 cylindrique délimitant un volume de stockage abritant une masse poreuse 4. De plus, le réservoir 1 contient, dans le volume de stockage, un volume déterminé de matériau 5 à changement de phase (« PCM ») ayant par exemple une température de changement de phase comprise entre 40°C et 65°C. De 30 préférence, ce matériau 5 à changement de phase est intégré à un support 3 logé dans le réservoir 1. Ceci permet de réguler de façon passive les variations de température du réservoir 1 lors des remplissages et soutirages. Le matériau 5 à changement de 3037120 4 phase va ainsi atténuer les augmentations de pression en absorbant de l'énergie lors du remplissage. De plus, ce matériau 5 à changement de phase va atténuer les chutes de température lors du soutirage en restituant de l'énergie. Ceci permet d'augmenter les débits de remplissage ou de soutirage. 5 Le matériau 5 à changement de phase subit une fusion ou une solidification selon la température à laquelle il est porté en absorbant ou restituant de l'énergie sous forme calorifique. Le matériau 5 à changement de phase est sélectionné pour intercepter l'énergie à une température déterminée. 10 Le matériau 5 à changement de phase peut comporter deux parties ; une première partie configurée pour changer de phase et absorber de l'énergie lors du remplissage et une autre partie configurée pour restituer de l'énergie lors d'une phase de soutirage. Les matériaux à changement de phase (« PCM ») peuvent être divisés en 15 deux catégories : organiques et inorganiques. Les matériaux à changement de phase du type organique peuvent comprendre par exemple : des acides gras, des cires ou huiles (par exemple oléfines ou alkanes), des polymères et des aromatiques. Les matériaux à changement de phase du type inorganique comprennent 20 généralement des sels hydratés, des solutions aqueuses (mélanges) ou de substances pures. Le matériau 5 à changement de phase utilisé a de préférence une chaleur latente et une conductivité relativement élevées à la température de changement de phase. On pourra se référer aux articles suivants. « Low temperature latent 25 heat thermal energy storage: heat storage materials. Solar Energy 1983; 30:313- 32 » (Abhat A) ou "A designing handbook for phase change thermal control and energy storage devices". NASA Technical Paper,1977. p.1074 (Humphries WR, Griggs El.) et "Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. Appl. Therm. Eng, 23 (2003), pp. 251-283 30 (B. Zalba, J.M. Marin, L.F. Cabeza, H. Mehling). Dans le cas présent, le terme « chaleur latente » se réfère à la chaleur latente de fusion. En effet, la chaleur latente d'évaporation est inopportune dans cette application. 3037120 5 Le matériau 5 à changement de phase peut être intégré à un support 3 tel qu'une enveloppe formant un maillage au réseau rigide en trois dimensions. Le support 3 est logé dans la masse poreuse 4. Le support 3 forme ainsi un échangeur de chaleur au sein du réservoir 1 5 absorbant ou restituant de la chaleur selon la situation. Ce support contient par exemple des portions tubulaires ou creuses dans lesquelles est disposé du matériau 5 à changement de phase. L'échangeur de chaleur peut comprendre en plus un élément de réchauffage et un fluide caloporteur. 10 Le matériau à changement de phase peut comporter un ou plusieurs additifs chimiques pour augmenter sa conductivité thermique, par exemple 1 à 10% en poids de carbone. Le matériau à changement de phase peut inclure également un surfactant, par exemple de 0,05 à 0,5% en poids. 15 Le matériau à changement de phase est de préférence fourni sous forme solide et est moulé pour être logé dans des portions tubulaires du support 3. De préférence, le matériau à changement de phase 5 sera conditionné de façon cylindrique et les conduits du support 3 qui l'intègrent seront de forme cylindrique conjuguée. 20 Les conduites de cet échangeur intégrant le matériau 5 à changement de phase peuvent avoir un diamètre extérieur de 0,5 à 2,5mm et peuvent être refermées par un bouchon étanche. C'est-à-dire que le matériau 5 à changement de phase est encapsulé dans des volumes creux du support 3 (cf. l'exemple schématique de la figure 5). 25 Le support 3 formant l'échangeur de chaleur peut être constitué de métal dont l'un au moins parmi : un acier inoxydable, du cuivre ou un alliage, un acier revêtu de verre etc Le matériau à changement de phase 5 présente une phase solide qui devient liquide ou une phase solide qui se solidifie selon la température avec 30 absorption ou restitution de chaleur respectivement (processus réversible). La fusion et la solidification peuvent intervenir à des températures proches ou distinctes. Le changement de phase peut relativement absorber plus ou restituer plus d'énergie. 3037120 6 De préférence, le matériau à changement de phase absorbe de l'énergie à une température déterminée entre 45°C et 55°C par exemple. De préférence également, le matériau à changement de phase restitue de la chaleur à une température déterminée entre 5°C et 35°C, par exemple entre 5 5°C et 15°C et/ou entre 10°C et 20°C et/ou entre 20°C et 35°C. Plusieurs matériaux à changement de phases aux propriétés (températures de changement de phase, quantité de chaleur absorbée ou restituée) peuvent être associés. Le réseau formé par le ou les supports 3 intégrant le matériau 5 à changement de phase peut comprendre des éléments à changement de phase à 10 des température relativement plus élevées et des éléments à changement de phase à des température relativement plus basses. Dans une application possible, deux entités pour refroidir/réchauffer le réservoir 1 dans des phases critiques (remplissage/soutirage) peuvent être prévues. Ces deux entités (intégrées à un même support 3 ou à des supports 15 distincts respectifs) peuvent contenir des matériaux à changement de phase distincts (transferts de chaleur à des températures distinctes ou identiques). Bien entendu, plus de deux éléments peuvent être prévus : trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf, dix ou plus... Ceci peut permettre d'adapter le profil de température du réservoir 1 selon 20 son utilisation. Des éléments différents peuvent imbriqués au moins partiellement les uns dans les autres (par exemple concentriquement). Ceci peut permettre de réduire des pertes d'énergie vers l'extérieur. Les éléments possédant les matériaux à changement de phase ayant les 25 températures de changement de phase relativement plus élevées peuvent être placée relativement à l'extérieur tandis que les éléments possédant les matériaux à changement de phase ayant les températures de changement de phase relativement plus basses peuvent être placés relativement à l'intérieur. Le support 3 peut comporter un réseau en trois dimensions contenant le 30 matériau à changement de phase 5. Le transfert de chaleur vers la masse poreuse lors des transitions de phase peut être réalisé par conduction et/ou radiation et/ou convection et/ou conduit 3037120 7 caloporteur et/ou de façon indirecte. Ces variations d'énergie peuvent former notamment un puits de chaleur (réserve). Les figures 2 à 4 illustrent des exemples non limitatifs de structure métalliques de support remplies de matériau à changement de phase (cf. figure 5). 5 Ces plaques métalliques alvéolées aux multiples orifices peuvent être introduites dans le réservoir vide lors de sa fabrication. La synthèse hydrothermale permettant la fabrication de la masse poreuse à l'intérieur de la bouteille est réalisée ensuite. C'est-à-dire que le support 3 intégrant le matériau 5 à changement de phase est logé dans la masse poreuse. 10 REVENDICATIONS1. Réservoir de gaz sous pression explosif, notamment d'acétylène, comprenant une paroi (2) délimitant un volume de stockage abritant une masse poreuse (4), caractérisé en ce qu'il contient, dans le volume de stockage, un volume déterminé de matériau (5) à changement de phase (« PCM ») ») ayant une température de changement de phase comprise entre 40°C et 65°C. 2. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase (« PCM ») est configuré pour absorber et stocker de l'énergie à une première température comprise entre 40°C et 65°C et de préférence entre 45°C et 55°C. 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase (« PCM ») est configuré pour restituer et libérer l'énergie stockée à une seconde température comprise entre 0°C et 35°C et de préférence entre 5°C et 35°C. 4. Réservoir selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase (« PCM ») est configuré pour restituer et libérer l'énergie stockée à une seconde température comprise dans l'un au moins des intervalles suivants : entre 5°C et 15°C, entre 10°C et 20°C, entre 15°C et 25°C, entre 20 et 35°C. 5. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase (« PCM ») est constitué d'un unique matériau à changement de phase à une température déterminée ou d'un mélange de matériaux à changement de phase différents ayant des températures de changement de phase respectives distinctes. 6. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase (« PCM ») est constitué de l'un au moins parmi : un sel hydraté, une cire de paraffine, un acide gras, un polymère, un aromatique. 7. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le réservoir comprend au moins un support (3) solide disposé dans le volume de stockage au sein de la masse poreuse (4) et en 3037120 9 ce que le matériau (5) à changement de phase est intégré audit au moins un support (3). 8. Réservoir selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau (5) à changement de phase est encapsulé dans une ou des cavités étanche 5 du au moins un support (3). 9. Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le au moins un support (3) forme un maillage en trois dimensions. 10.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, 10 caractérisé en ce que le au moins un support (3) a une structure en forme de nid d'abeille. 11.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le au moins un support (3) a une structure d'un maillage en feuille(s) ou plaque(s) alvéolée(s) enroulée(s) sur elle(s)-même. 15 12.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le au moins un support (3) est constitué de l'au au moins des matériaux suivants : d'une enveloppe métallique, fabriquée en un matériel ayant une conductivité thermique supérieure à 15 W/m/K, notamment en acier inoxydable, cuivre, alliage métallique. 20 13.Réservoir selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le au moins un support (3) est installé à l'intérieur du réservoir préalablement à la formation de la masse poreuse.