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.
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).
Les récipients du type précité (voir par exemple le FR-A-2 406 782) 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.
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.
L'invention a pour but de résoudre ce problème en simplifiant la structure du réservoir.
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.
Dans un mode de réalisation avantageux, l'échangeur de chaleur s'étend sur à peu près toute la hauteur du réservoir.
L'invention a également pour objet un procédé de soutirage d'un mélange cryogénique liquide dans un récipient 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, caractérisé en ce qu'on soutire le liquide exclusivement à travers ledit conduit formant échangeur de chaleur.
Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels :
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.
La tête 5 est constituée par une bride 6 traversée verticalement par quatre conduites qui lui sont rigidement reliées :
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.
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.
Pour bien immobiliser les deux serpentins, le clapet 21 s'appuie sur le fond du réservoir 1 en comprimant légèrement le serpentin 20.
Comme représenté à la figure 1, le récipient comporte encore :
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 remplissage, 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.
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.
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.
Parmi les deux phénomènes expliqués ci-dessus, c'est la recondensation 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 recondensation des vapeurs est ainsi maximale.
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.
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 soutité 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.
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 rétablissement 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.
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 composition 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.
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.
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.
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 (fes) 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.