Brevet FR3133657A1 — publié le 20230922

TITRE : DISPOSITIF DE DEGAZAGE D’HYDROGENE LIQUIDE Dispositif de dégazage d’hydrogène liquide en circulation dans un circuit comprenant un conduit (1) d’arrivée du liquide, un conduit (2) d’alimentation d’une pompe recevant une partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé et un conduit (3) de retour recevant une autre partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé, le conduit d’arrivée du liquide, le conduit d’aspiration de la pompe et le conduit de retour communiquent avec une chambre (4) verticale de dégazage et la section de la chambre verticale au niveau (N1) de l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée du liquide dans la chambre verticale est plus grande que la section du conduit (1) d’arrivé du liquide à son embouchure avec un ratio entre ces deux sections supérieur ou égal à deux. Figure pour l’abrégé : Figure 1 DISPOSITIF DE DEGAZAGE D’HYDROGENE LIQUIDE Désignation du domaine technique concerné La présente invention est relative aux installations cryogéniques de production, de stockage ou d’utilisation d’hydrogène liquide. Elle concerne plus particulièrement les circuits fluidiques disposés en amont de pompes assurant la circulation d’hydrogène liquide. Problèmes techniques auxquels répond l’invention L’hydrogène liquide est stocké et il circule dans les circuits fluidiques à une température voisine de sa température d’ébullition à la pression de l’installation. De par sa nature, l’apport d’énergie nécessaire pour son changement de phase liquide/gaz est faible. Ainsi, un faible apport de calories suffit pour provoquer la formation de bulles d’hydrogène gazeux. Bien que les réservoirs et les tuyauteries sont isolés par un double circuit maintenu sous vide, l’isolation n’est pas totale et un léger échauffement de l’hydrogène résulte d’apport de calories de l’environnement extérieur. De plus, un léger échauffement complémentaire résulte de l’écoulement de l’hydrogène dans le circuit. Ainsi, des bulles d’hydrogène gazeux se forment dans le circuit. Au niveau des pompes assurant la circulation de l’hydrogène liquide, la présence de bulles gazeuses entraine un échauffement complémentaire de l’hydrogène dans la pompe. Il est dès lors nécessaire de dégazer le liquide avant son entrée dans la pompe pour limiter l’apport de calories dans la pompe par ces bulles de gaz et réduire l’échauffement supplémentaire de l’hydrogène liquide dans la pompe qui résulterait de la présence de bulles à l’aspiration. En raison de sa très faible densité, il n’existe pas de débulleur mécanique pour l’hydrogène. Il existe des solutions de séparations liquide/gaz cycloniques mais elles sont complexes et couteuses. Généralement, une simple ligne de retour vers le réservoir de stockage de l’hydrogène est disposée en amont de la pompe cryogénique. Cette ligne de retour a traditionnellement une section inférieure ou égale à la section de la tuyauterie d’alimentation de la pompe. Son efficacité pour le dégazage de l’hydrogène liquide à l’aspiration de la pompe est cependant limitée et une quantité de bulles de gaz est entrainée à l’aspiration de la pompe. L’invention apporte une solution nouvelle à ce problème. Selon l’invention, il est proposé un dispositif de dégazage d’hydrogène liquide en circulation dans un circuit comprenant un conduit d’arrivée du liquide, un conduit d’alimentation d’une pompe recevant une partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé et un conduit de retour recevant une autre partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé caractérisé en ce que le conduit d’arrivée du liquide, le conduit d’aspiration de la pompe et le conduit de retour communiquent avec une chambre verticale de dégazage et en ce que la section de la chambre verticale au niveau de l’embouchure du conduit d’arrivée du liquide dans la chambre verticale est plus grande que la section du conduit d’arrivé du liquide à son embouchure et en ce que le ratio entre ces deux sections est supérieur ou égal à deux. Le dispositif selon l’invention permet d’assurer un dégazage efficace en amont de la pompe. La réduction importante de la vitesse d’écoulement de l’hydrogène liquide permet aux bulles de gaz de monter dans la chambre verticale en direction du circuit de retour vers le réservoir, sans être entrainées par un courant trop important en direction du conduit d’alimentation de la pompe. On évite ainsi que des bulles de gaz ne soient aspirées par la pompe. Avantageusement selon l’invention, un déflecteur est disposé dans la chambre verticale face à l’embouchure du conduit d’arrivée. Il a pour effet de favoriser la remonté des bulles de gaz dans la chambre verticale et augmente ainsi l’efficacité du dégazage. Le déflecteur se trouve dans le prolongement de l’axe du conduit d’arrivée du liquide dans la chambre verticale afin de renforcer son effet. Il est avantageusement centré dans la chambre verticale de sorte que la même proportion d’hydrogène liquide s’écoule de part et d’autre de celui-ci. Avantageusement, la surface du déflecteur est supérieure à la section de l’embouchure du conduit d’arrivée du liquide dans la chambre verticale. Brève description des figures D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : est une vue schématique et partielle en élévation d’une installation de stockage et de fourniture d’hydrogène liquide selon un exemple de réalisation de l’invention ; est une vue schématique et partielle en vue de dessus de la chambre verticale selon la . La illustre partiellement et schématiquement une installation de stockage et de fourniture d’hydrogène liquide. Elle comprend un réservoir 20 cylindrique vertical contenant de l’hydrogène liquide jusqu’à un niveau N4 et, au-dessus, de l’hydrogène gazeux. Cet hydrogène gazeux résulte d’une évaporation de l’hydrogène liquide due principalement à un apport de calories par les parois du réservoir et du circuit fluidique. A l’extrémité inférieure du réservoir se trouve un conduit 1 d’arrivée de l’hydrogène liquide vers des équipements non représentés situés en aval. Bien que le conduit soit très isolé thermiquement, avec typiquement une double enveloppe calorifugée et maintenu sous vide, un apport de calories par ses parois extérieures provoque la formation de bulles 6 d’hydrogène gazeux. Le conduit 1 d’arrivée débouche dans une chambre 4 verticale cylindrique d’un diamètre fortement plus élevé que celui du conduit d’arrivé. La section de la chambre verticale est ainsi supérieure ou égale à deux fois celle du conduit d’alimentation. L’hydrogène liquide circule alors à une vitesse fortement réduite dans la chambre verticale comparée à celle dans le conduit d’arrivée. La vitesse d’écoulement de l’hydrogène liquide dans le conduit d’arrivée est typiquement comprise entre 0.5 m/sec et 2 m/sec. La section de la chambre verticale est choisie de sorte que l’hydrogène liquide s’écoule dans celle-ci à une vitesse réduite, par exemple comprise entre 30% et 50% de la vitesse dans le conduit d’arrivée. Cette faible vitesse d’écoulement du liquide dans la chambre verticale permet aux bulles de gaz de remonter vers le haut de la chambre verticale, puis vers un conduit 3 de retour vers le réservoir et enfin le réservoir. En régime de fonctionnement, l’essentiel du débit d’hydrogène liquide arrivant par le conduit d’arrivée s’écoule vers le conduit d’alimentation de la pompe et est entrainé par celle-ci. Par exemple, pour un débit de 100 m 3 dans le conduit d’arrivée, environ 98 m 3 vont vers la pompe et 2 m 3 remontent vers le réservoir. Le conduit 1 d’arrivée peut être horizontal ou incliné. Avantageusement, le conduit est incliné avec son extrémité aval surélevée de sorte que les bulles de gaz se positionnent sur le haut du conduit et s’écoule plus facilement vers le haut de la chambre verticale. La chambre verticale est avantageusement cylindrique mais elle peut néanmoins avoir toute autre forme. Elle est isolée thermiquement par une double enveloppe extérieur calorifugée maintenant un espace sous vide pour limiter le transfert de calories à l’hydrogène liquide par l’environnement extérieur. Comme représenté sur les figures 1 et 2, un déflecteur 7 est disposé dans la chambre verticale face à l’embouchure du conduit d’arrivée afin de favoriser la remonté des bulles de gaz dans la chambre verticale. Ce déflecteur peut être une tôle maintenue par des moyens de support reliés aux parois internes de la chambre verticale. En partie basse de la chambre verticale se trouve un conduit 2 d’alimentation d’une pompe 10. L’embouchure 8 de ce conduit dans la chambre verticale se trouve à un niveau N3 inférieur au niveau N1 où se trouve l’embouchure du conduit 1 d’arrivée dans la chambre verticale. La différence de hauteur entre les niveaux N1 et N3 est choisie de sorte d’éviter que des bulles de gaz en provenance du conduit d’arrivée ne soient entrainées dans le conduit d’alimentation de la pompe. Elle doit cependant être limitée pour réduire la longueur du trajet entre les deux orifices 6 et 8 et réduire également la hauteur de la chambre verticale de sorte de limiter l’échauffement de l’hydrogène liquide. L’embouchure 5 du conduit 3 de retour vers la cuve 20 de stockage se trouve à un niveau N2 supérieur au niveau N1 où se trouve l’embouchure du conduit 1 d’arrivée dans la chambre verticale. L’embouchure 5 est disposée sur la partie supérieure la chambre verticale. Elle est avantageusement horizontale et disposée sensiblement à la verticale de l’embouchure 6 du conduit d’arrivée de sorte de limiter le trajet des bulles de gaz dans la chambre verticale et les changements de directions lors de ce trajet. La hauteur de la chambre verticale est limitée à celle nécessaire pour le dégazage de sorte de limiter l’apport en calories par ses parois extérieures. La distance entre l’embouchure 6 du conduit d’arrivée et celle 5 du conduit 3 de retour est par exemple de 5 cm. Les dimensions du système sont optimisées pour limiter les entrées de chaleur. La longueur du conduit d’alimentation de la pompe est réduite autant que possible pour limiter l’échauffement de l’hydrogène dans ce conduit en amont de la pompe. Le conduit d’alimentation de la pompe peut être horizontal ou incliné. Avantageusement, le conduit est incliné de sorte que l’entrée du conduit soit disposée à une hauteur plus importante que sa sortie, côté pompe. Ainsi, des bulles de gaz qui serraient présentes dans le conduit peuvent remonter vers la chambre verticale. La est vue schématique et partielle en vue de dessus de la chambre verticale selon le plan P de la . Comme représenté sur cette figure, la largeur La du déflecteur, sa hauteur et la distance à laquelle il est positionné par rapport à l’embouchure 6 du conduit 1 d’arrivée du liquide sont choisis de sorte que la vitesse d’écoulement de l’hydrogène liquide en contournement du déflecteur reste faible, par exemple de 0.2 m/sec. L’axe du conduit d’arrivée du liquide dans la chambre verticale et celui du conduit d’alimentation de la pompe sont avantageusement disposés sur un même plan vertical de sorte que l’écoulement de l’hydrogène entre ces deux conduits dans la chambre verticale soit le plus linéaire possible et génère le moins de perde de charge pour limiter autant que possible un échauffement de l’hydrogène lors de son écoulement. Dispositif de dégazage d’hydrogène liquide en circulation dans un circuit comprenant un conduit (1) d’arrivée du liquide, un conduit (2) d’alimentation d’une pompe recevant une partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé et un conduit (3) de retour recevant une autre partie du liquide arrivant par le conduit d’arrivé, caractérisé en ce que le conduit d’arrivée du liquide, le conduit d’aspiration de la pompe et le conduit de retour communiquent avec une chambre (4) verticale de dégazage et en ce que la section de la chambre verticale au niveau (N1) de l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée du liquide dans la chambre verticale est plus grande que la section du conduit (1) d’arrivé du liquide à son embouchure et en ce que le ratio entre ces deux sections est supérieur ou égal à deux. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’un déflecteur (7) est disposé dans la chambre verticale face à l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (7) se trouve dans le prolongement de l’axe (9) du conduit (1) d’arrivée du liquide dans la chambre verticale. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface du déflecteur (7) est supérieure à la section de l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée du liquide dans la chambre verticale. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’embouchure (5) du conduit de retour dans la chambre verticale est disposé à un niveau (N2) de la chambre verticale supérieur au niveau (N1) où se trouve l’embouchure (6) du conduit d’arrivée du liquide dans la chambre verticale et en ce que l’embouchure (8) du conduit (2) d’alimentation de la pompe dans la chambre (4) verticale est disposé à un niveau (N3) de la chambre verticale inférieur au niveau (N1) de l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée du liquide. Procédé de dégazage d’hydrogène liquide en circulation mis en œuvre dans un dispositif selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’on procède à un ralentissement de la vitesse de l’hydrogène liquide à l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée dans la chambre (4) verticale pour favorise l’évacuation des bulles d’hydrogène gazeux vers le conduit (3) de retour. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vitesse de l’hydrogène liquide à l’embouchure (6) du conduit (1) d’arrivée dans la chambre (4) verticale est comprise entre 30% et 50% de la vitesse de l’hydrogène liquide dans le conduit d’arrivée.