[0001] La présente invention est relative à un récipient pour mélange cryogénique liquide
du type comprenant un réservoir dans lequel est disposé un conduit formant échangeur
de chaleur qui traverse le col du réservoir et dont l'entrée est reliée à la partie
inférieure du réservoir par l'intermédiaire d'un organe de création d'une perte de
charge, une conduite de soutirage du mélange liquide, et un circuit de remontée en
pression.
[0002] Dans les récipients cryogéniques classiques, la pression est maintenue à peu près
constante malgré les entrées de chaleur inévitables par l'élimination intermittente
d'une partie de la phase gazeuse au moyen d'une soupape tarée. La conservation des
mélanges cryogéniques liquides dans un tel récipient est impossible, car la vaporisation
du liquide résultant des entrées de chaleur s'accompagne d'une distillation de ce
liquide, de sorte que celui-ci s'enrichit progressivement en composant(s) le(s) moins
volatil (s).
[0003] Les récipients du type précité ont été proposés pour éviter une telle évolution de
la composition du liquide. En effet, lorsque la pression intérieure du réservoir dépasse
la pression de sortie de l'échangeur de chaleur d'une quantité prédéterminée par l'organe
de création d'une perte de charge, une certaine quantité de liquide traverse ce dernier
et, se trouvant ramenée à une pression plus faible, se vaporise puis se réchauffe
en prélevant dans le récipient la chaleur correspondante. Les entrées de chaleur sont
ainsi compensées sans mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, au prix d'une petite
fuite de liquide, et la composition du liquide reste pratiquement constante pendant
toute la vidange du récipient. La fuite de produit est du même ordre que celle qui
résulte de la mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, évoquée plus haut.
[0004] Un inconvénient important de cette solution réside dans la complexité accrue de la
structure du réservoir, et en particulier dans la difficulté de l'adapter aux réservoirs
existants de capacité relativement faible et à col étroit. En effet, le réservoir
doit comporter, outre la conduite de soutirage de liquide et le circuit de refroidissement
comportant l'échangeur, au moins une conduite de remplissage et, lorsque le réservoir
est destiné à être rempli avec du mélange liquide déjà préparé, un circuit de circulation
d'un fluide auxiliaire réfrigérant assurant un sous-refroidissement du mélange liquide,
et donc une absence de distillation, pendant le remplissage.
[0005] L'invention a pour but de résoudre ce problème en simplifiant la structure du réservoir.
[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un récipient du type précité, caractérisé en
ce que la conduite de soutirage du mélange liquide est reliée à la sortie de l'échangeur
de chaleur, de sorte que la totalité du liquide soutiré traverse cet échangeur.
[0007] Dans un mode de réalisation avantageux, l'échangeur de chaleur s'étend sur à peu
près toute la hauteur du réservoir.
[0008] L'invention a également pour objet un procédé de soutirage d'un mélange cryogénique
liquide dans un récipient pourvu d'un circuit de refroidissement par détente d'une
fuite liquide, caractérisé en ce qu'on soutire le liquide exclusivement à travers
le circuit de refroidissement.
[0009] Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des
dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un récipient conforme
à l'invention ;
- la figure 2 représente plus en détail l'agencement intérieur du récipient ; et
- la figure 3 est une vue en plan de la tête de ce récipient.
[0010] Le récipient représenté comprend un réservoir intérieur 1 d'une capacité de 100 à
200 litres, par exemple, et une enveloppe extérieure 2 (non représentée sur la figure
1) séparées par un espace sous vide 3. Le réservoir 1 comporte un col supérieur 4
obturé par une tête 5 amovible.
[0011] La tête 5 est constituée par une bride 6 traversée verticalement par quatre conduites
qui lui sont rigidement reliées :
- une conduite 7 de remplissage en pluie, pourvue d'une vanne 8 et d'un raccord d'entrée
9 et ouverte à son extrémité inférieure ;
- une conduite 10 d'entrée d'un agent réfrigérant pourvue d'un raccord d'entrée 11
et d'un clapet anti-retour 12 ;
- une conduite 13 de sortie de cet agent, munie d'un clapet anti-retour 14 ; et
- une conduite 15 de soutirage de liquide et de fuite de liquide comportant, à l'extérieur
du réservoir, une soupape de mise à l'atmosphère 16, une vanne 17 et un raccord de
sortie 18.
[0012] La conduite 7 se termine à un niveau intermédiaire dans le col 4, tandis que les
trois autres conduites 10, 13 et 15 se prolongent vers le bas à peu près jusqu'au
niveau du raccordement du col 4 et du réservoir 1. A cet endroit, la conduite 10 est
reliée à l'entrée d'un serpentin 19 d'échange de chaleur, dont la sortie est à son
tour reliée à l'entrée de la conduite 13. Au même niveau, la conduite 15 est reliée
à l'extrémité supérieure d'un deuxième serpentin 20 d'échange de chaleur qui s'étend
jusqu'au fond du réservoir 1, où son extrémité inférieure est équipée d'un clapet
taré 21. Sur toute la hauteur occupée par le serpentin 19, le serpentin 20 a un diamètre
réduit et est disposé à l'intérieur de celui-ci. Au-dessous du serpentin 19, le serpentin
20 prend un diamètre plus grand, sensiblement égal à celui du serpentin 19 et légèrement
inférieur au diamètre intérieur du col 4.
[0013] Ainsi, la tête 5, comprenant la bride 6, les conduites 7,10, 13 et 15 et les deux
serpentins 19 et 20, forme un ensemble monobloc amovible qui peut se fixer sur le
réservoir en enfilant les deux serpentins dans le col et en fixant par des vis la
bride 6 sur une bride 22 prévue à l'entrée du col 4, avec interposition d'un joint
d'étanchéité 23.
[0014] Pour bien immobiliser les deux serpentins, le clapet 21 s'appuie sur le fond du réservoir
1 en comprimant légèrement le serpentin 20.
[0015] Came représenté à la figure 1, le récipient comporte encore :
- un disque de rupture 24 relié au col 4 par une tubulure équipée d'un manomètre ;
- une tubulure 25 de purge, reliée au col 4, équipée d'une vanne et normalement condamnée
par un bouchon 26 ; et
- un circuit 27 de remontée en pression, comprenant une crosse 28 de soutirage de
liquide au fond du réservoir 1, un vaporiseur 29 et une conduite 30 qui relie ce dernier
au col 4 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 31.
[0016] Un mélange liquide cryogénique à stocker, par exemple un mélange d'oxygène et d'azote
à 22 % d'oxygène (c'est-à-dire pratiquement de l'air liquide), est introduit en pluie,
sous la pression de stockage (par exemple 10 à 20 bars), par la conduite 7. Avant
et pendant ce renplissage, de l'azote liquide circule dans la conduite 10 et le serpentin
19, et s'échappe à l'état gazeux par la conduite 13, pour assurer que la pression
pendant ces opérations de remplissage, et notamment si le réservoir est initialement
chaud, n'excède pas la valeur maximale tolérée, sans qu'il soit besoin de mettre à
l'air libre une partie de la phase vapeur ou de la phase liquide du mélange.
[0017] Pendant le stockage, les entrées de chaleur inévitables provoquent une certaine vaporisation
du liquide et une augmentation de la pression. Lorsque celle-ci dépasse la pression
d'ouverture de la soupape 16 d'une valeur prédéterminée correspondant au tarage du
clapet 21 (par exemple 2 bars), ce dernier s'ouvre et une petite quantité de liquide
passe dans le serpentin 20.
[0018] Cette fuite de liquide se vaporise puis se réchauffe dans le serpentin 20, en prélevant
de la chaleur dans le liquide et dans la phase vapeur qui le surmonte, et le gaz réchauffé
s'échappe par la soupape 16. Ainsi, le liquide se sous-refroidit, la vapeur se recondense
partiellement, et la pression redescend jusqu'à une valeur pour laquelle le clapet
21 et la soupape 16 se referment. Ceci permet, au prix d'une petite perte de liquide,
de conserver le liquide avec une composition pratiquement constante, puisque la phase
vapeur n'est jamais mise à l'atmosphère.
[0019] Parmi les deux phénomènes expliqués ci-dessus, c'est la recondensatian de la phase
vapeur qui constitue l'utilisation la plus efficace du froid produit par la détente
du liquide. Or, du fait de l'extension du serpentin 20 sur toute la hauteur du réservoir,
la surface d'échange de chaleur contenue dans la phase vapeur augmente proportionnellement
au volume de cette phase. L'efficacité de la reoondensation des vapeurs est ainsi
maximale.
[0020] Lorsqu'on désire soutirer du liquide, on ouvre la vanne 17, ce qui met la conduite
15 en communication avec le circuit d'utilisation (non représenté), relié au raccord
18. Le circuit d'utilisation est supposé se trouver à une pression inférieure à la
pression de stockage d'une quantité supérieure à la perte de charge imposée par le
clapet 21.
[0021] Par conséquent, ce clapet s'ouvre, et le liquide soutiré passe en totalité dans le
serpentin 20, la soupape 16 restant fermée. Tout le liquide soutiré produit donc du
froid, ce qui a pour résultat d'une part un sous-refroidissement du liquide restant
dans le réservoir, et d'autre part une recondensation de la phase vapeur qui le surmonte.
[0022] Dès que la pression descend au-dessous d'une valeur prédéterminée, le régulateur
de pression 31 s'ouvre, du liquide passe par la crosse 28 dans le vaporiseur 29, et
la vapeur ainsi produite est renvoyée par la conduite 30 dans le col 4 du réservoir,
jusqu'à rétablis- sèment de la pression de consigne. Du fait de la vitesse de circulation
du fluide dans le circuit 27, la vapeur réinjectée dans le col 4 a la même composition
que le liquide prélevé par la crosse 28.
[0023] Ainsi, lorsqu'on soutire du liquide, il se produit simultanément un sous-refroidissement
du liquide et un brassage important, à travers le circuit de remontée en pression
27, qui tend à maintenir la phase vapeur à la même carposition que la phase liquide.
Ces deux phénomènes s'opposent à la distillation du mélange, et il est ainsi possible
de soutirer la quasi-totalité du liquide sans variation gênante de sa composition.
[0024] On remarque également que le fait de soutirer le liquide à travers le serpentin 20
réduit au maximum le nombre de conduites à prévoir, ce qui permet de faire passer
toutes les conduites nécessaires à travers le col du réservoir, même si celui-ci est
étroit. On peut ainsi adapter facilement l'invention à des petits récipients existants
de capacité relativement réduite.
[0025] En variante, le clapet 21 peut être remplacé par un autre organe capable de créer
une perte de charge, par exemple par un tube capillaire ou un élément fritté.
[0026] Le récipient décrit ci-dessus comporte le circuit 10-19-13 parce qu'on a supposé
qu'on le remplissait avec le mélange liquide déjà préparé. Cependant, on peut également
réaliser le mélange dans le récipient lui-même, de la façon suivante : on verse la
quantité nécessaire du liquide le plus volatil (par exemple l'azote liquide), ce qui
assure la mise en froid du récipient et la mise à l'équilibre de l'azote sous la pression
atmosphérique à 77 K ; dans un condenseur extérieur, qui peut être commun à un ensemble
de récipients, on sous-refroidit le ou les autres constituants du mélange (par exemple
l'oxygène liquide) à la même température (par exemple dans un serpentin immergé dans
de l'azote liquide), puis on le (les) verse dans le récipient. Dans ce cas, le circuit
10-19-13 n'est plus nécessaire, et par suite la tête amovible 5 du réservoir 1 ne
comporte plus que deux conduites traversant la bride 6, à savoir les conduites 7 et
15, et la structure du réservoir est encore simplifiée.
1. - Récipient pour mélange cryogénique liquide, du type comprenant un réservoir (1)
dans lequel est disposé un conduit formant échangeur de chaleur (20) qui traverse
le col (4) du réservoir et dont l'entrée est reliée à la partie inférieure du réservoir
par l'intermédiaire d'un organe (21) de création d'une perte de charge, une conduite
(15) de soutirage du mélange liquide, et un circuit (27) de remontée en pression,
caractérisé en ce que la conduite (15) de soutirage du mélange liquide est reliée
à la sortie de l'échangeur de chaleur (20), de sorte que la totalité du liquide soutiré
traverse cet échangeur.
2. - Récipient suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur
(20) s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir (1).
3. - Récipient suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend
également une conduite de remplissage (7) traversant une bride (6) adaptée pour être
fixée de façon amovible à l'entrée du col (4) du réservoir (1).
4. - Récipient suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend également
deux conduites (10, 13) d'entrée et de sortie, respectivement, d'un fluide auxiliaire
réfrigérant reliées entre elles par un échangeur de chaleur auxiliaire (19), ces deux
conduites (10, 13, 15) traversant ladite bride (6).
5. - Récipient suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les deux échangeurs
de chaleur (19, 20) sont imbriqués l'un dans l'autre, la dimension transversale de
l'ensemble étant inférieure au diamètre du col (4) du réservoir (1).
6. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce
que le ou chaque échangeur de chaleur (19, 20) est constitué par un serpentin, notamment
hélicoidal.
7. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant une soupape
(16) de mise à l'atmosphère, caractérisé en ce que cette soupape est montée sur la
conduite de soutirage de liquide (15) .
8. - Récipient suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce
qu'il comporte un disque de rupture (24) relié à la partie supérieure (4) du réservoir
(1).
9. - Procédé de soutirage d'un mélange cryogénique liquide dans un récipient pourvu
d'un circuit de refroidissement par détente d'une fuite liquide, caractérisé en ce
qu'on soutire le liquide exclusivement à travers le circuit de refroidissement.