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"RECIPIENT POUR MELANGE CRYOGENIQUE ET PR~CEDE DE SOUrIRAGE DU LIQUIDE''
La presente invention est relative à un recipient pour melange
cryogenique liquide du type comprenant un reservoir dans lequel est
dispose un conduit formant echangeur de chaleur qui traverse le col du
reservoir et dont l'entree est reliee à la p~lrtie inferieure du reservoir
par l'inter~ediaire d'un organe de creation d'une perte de charge, une
conduite de soutirage du melange liquide, et un circuit de remontee en
pression.
Dans les recipients cryogeniques classiques, la pression est
maintenue à peu près constante malgre les entrees de chaleur inevitables
par l'elimination inteLmittente d'une partie de la phase gazeuse au moyen
d'une soupape taree. La conservation des melanges cryogeniques liquides
dans un tel recipient est impossible, car la vaporisation du liquide
resultant des entrees de chaleur s'accanpa~ne d'une distillation de ce
lic~lide, de sorte que celui-ci s'enrichit progressivement en cal~osantts)
le(s) moins volatil(s).
Les recipients du type precite ont ete proposes pour eviter une
telle evolution de la composition du liquide. En effet, lorsque la
pression interieure du resèrvoir depasse la pression de sortie de
l'echangeur de chaleur d'une quantite predeterminee par l'organe de crea-
zo tion d'une perte de charge, une certaine quantit~ de liquide traverse cedernier et, se trouvant ramenee ~ une pression plus faible, se vaporise
puis se rechauffe en prelevant dans le recipient la chaleur correspondan-
te. Les entrees de chaleur sont ainsi ccmpensees sans misè à l'atmosphère
de la phase gazeuse, au prix d'une petite fuite de lic~uide, et la cc~ço-
25 sition du liquide reste pratiquement constante pendant toute la vidangedu recipient. La fuite de produit est du même ordre que celle qui resulte
de la mise à l'atmosphère de la phase gazeuse, evoquee plus haut.
Un inconvenient important de cette solution reside dans la
complexite accrue de la structure du reservoir, et en particulier dans la
30 difficulte de l'adapter aux reservoirs existants de capacite relativement
faible et à col ~étroit. En effet, le reservoir doit co~porter, outre la
conduite de soutirage de liquide et le circuit de refroidissement
comFortant l'echangcur, au m~ins une conduite de remplissage et, lorsque
le reservoir est c3cstine à etre rempli avec du m~lange liquide dejà
35 prepare, un circuit de circulation d'un fluide auxiliaire refrigerant
assurant un sous-r~froidissement du melange liquid~, et donc une absence
de distillation, ~cndant le rem,plissage.
~,.
L'invention a pour but de resoudre ce probl~me en simplifiant
la structure du xeservoir.
A cet effet, l'invention a pour objet un recipient du type
precite, caracterise en ce que la conduite de soutirage du melange
liquide est reliee ~ la sortie de l'echangeur de c:haleur, de sorte que la
totalite du liquide soutire traverse cet echangeur.
Dans un mcde de realisation avantageux, l'echangeur de chaleur
s'etend sur à peu pr~s toute la hauteur du reservoir.
L'invention a egalement pour objet un procedé de soutirage d'un
melange cryogenique liquide dans un recipient pourvu d'un circuit de
refroidissement par detente d'une fuite liquide, caracterise en ce qu'on
soutire le liquide exclusivement à travers le circuit de refroidissement.
Un exemple de realisation de l'invention va ma~ltenant etre
decrit en regard des dessins annexes, sur lesquels :
- la Eigure 1 represente schematiquement en coupe longitudinale un
récipient conforme ~ l'invention ;
- la figure 2 repr~sente plus en detail l'agencement interieur du
recipient ; et
- la figure 3 est une w e en plan de la tête de ce recipient.
Le recipient represente comprend un reservoir interieur 1 d'une
capacite de 100 ~ 200 litres, par exemple, et une enveloppe exterieure 2
(non representee sur la figure 1) s~parees par un espace sous vide 3. Le
reservoir 1 CCmpQrte un col superieur 4 obture par une tete 5 am~vible.
La tete 5 est constituee par une bride 6 traversee verticale-
ment 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 extremite inf~rieure ;
- une condllite 10 d'entree d'un agent refrigerant pourvue d'un raccord
d'entree 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
co~portant, à l'extérieur du reservoir, une soupape de mise à
l'atmosphe`re 16, une vanne 17 et un raccord de sortie 18.
La conduite 7 se termine à un niveau intermediaire dans le col
4, tandis que les trois autres conduites 10, 13 et 15 se prolongent vers
le bas à peu pr~s jusqu'au niveau du raccord~nt du col 4 et du
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réservoir l. A cet endroit, la conduite 10 est reliee à l'entree d'un
serpentin l9 d'échange de chaleurr dont la sortie est à son tour reliee à
l'entrée de la conduite 13. Au même niveau, la conduite 15 est reliee à
l'extremité sup~rieure d'un deuxième serpentin 20 d'echange de chaleur
qui s'étend jusqu'au fond du reservoir l, où son extrémité inférieure est
équipee d'un clapet tare 21. Sur toute la hauteur occupee par le
serpentin l9, le serpentin 20 a un diamètre reduit et est dispose à
l'interieur de celui-ci. Au-dessous du serpentin 19, le serpentin 20
prend un diamètre plus grand, sensiblement egal à celui du serpentin 19
lo et legèrement inférieur au diamètre int~rieur du col 4.
Ainsi, la tête 5, comprenant la bride 6, les conduites 7,10, 13
et 15 et les deux serpentins l9 et 20, forme un ensemble monobloc
amovible qui peut se fixer sur le resexvoir en enfilant les deux
serp~ntins dans le col et en fixant par des vis la bride 6 s~lr une bride
22 prevue à l'entr~e du col 4, avec interposition d'un jo.int d'étanchëite
23.
Pour bien imn~obiliser les deux serpentins, le clapet 21
s'appuie sur le fond du reservoir l en comprimant legère~ent le serpentin
20.
20Comme representé à la figure 1, le récipient comporte encore :
- un disque de rupture 24 relie au col 4 par une tubulure equipee d'un
manomètre ;
- une tubulure 25 de purge, reliee au col 4, equipee d'une vanne et
normalement condamnee par un bouchon 26 ; et
- un circuit 27 de remontee en pression, comprenant une crosse 28 de
soutirage de l~quide au fond du reservoir l, un vaporiseur 29 et une
conduite 30 qui relie ce dernier au col 4 par l'intermediaire d'un
regulaieur de pression 31.
Un melange liquide cryogenique à stocker, par exemple un
melange 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 lO et le
serpentin 19, et s'echappe à l'etat gazeux par la conduite 13, pour
assurer que la pression pendant ces cperations de remplissage, et
notamment si le rCservoir est initialement chaud, n'exce`de pas la valeur
n~ximale toleree, sans qu'il soit besoin de mettre ~ 1'air libre une
partie de la phase vapeur ou de la phase liquide du ~elange.
Pendant le stockage, les entrees de chaleur inevitables
provog~lent une certaine vaporisation du liquicle et une aug~enta-tion de la
pression. Lorsque celle-ci depasse la pression d'ouverture de la soupape
16 d'une valeur predetenminee correspondant au tarage du clapet 21 (par
exemple 2 bars), ce dernier s'ouvre et une petite quantite de liquide
passe dans le serpentin 20.
Cette fuite de liquide se vaporise puis se rechauffe dans le
serpentin 20, en prelevant de la chaleur dans le liquide et dans la phase
vapeur qui le surmonte, et le gaz rechauffe s'echappe par la soupape 16.
Ainsi, le liquide se sous-refroidit, la vapeur se recondense partielle-
ment, 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 peti-te perte
de liquide~ de conserver le liquide avec une composition pratiqu~ment
constante, puisq~e la phase vape~lr n'est jam~is mise à l'atmosphère.
Parmi les deux phenomènes expliques 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 reservoir, la surface
d'echange de chaleur contenue dans la phase vapeur augmente
proportionnellement au volume de cette phase. L'efficacite de la
recondensation des vapeurs est ainsi maximale.
Lorsqu'on desire soutirer du liquide, on ouvre la vanne 17, ce
gui met la conduite 15 en ccmmunication avec le circuit d'utilisation
(non represente), relie au raccord 18. Le circuit d'utilisaticn est
supposé se trouver à une pression inferieure à la pression de stockage
d'une quantite superieure à la perte de charge i~posee par le clapet 21.
Par conséquent, ce clapet s'ouvre, et le liq~lide soutire passe
en totalite dans le serpentin 20, la soupape 16 restant fermée. Tout le
liquide soutire produit donc du froid, ce qui a pour resultat d'une part
un sous-refroidissement du liquide restant dans le reservoir, et d'autre
part une recondensation de la phase vapeur gui le surmonte.
Dès que la pression descend au-dessous d'une valeur
predéterminee, 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 reservoir, jusqu'à retablis-
sement de la pression de consigne. Du fait de la vitesse de circulationdu fluide dans le circuit 27, la vapeur reinjectee dans le col 4 a la
même ccmposition que le liquide preleve par la crosse 28.
Ainsi~ lorsqu'on soutire du liquide, il se produit simultane-
~cnt un sous-refroidissement du liquide et un brassage important r à
travers le circuit de remontee en pression 27, qui tend à maintenir la
phase vapeur à la m^eme ccmposition que la phase liquide. Ces deux
phenc~iènes s'opposent à la distillation du melange, et il est ainsi
possible de soutirer la quasi-totalite du liquide sans variation gênante
de sa cc~?osition.
On remarque egalement que le fait de soutirer le liquide à
travers le serpentin 20 reduit au maximum le nc~bre de conduites à
prevoir, ce qui permet de faire passer toutes les cond~ites nécessaires à
travers le col du reservoir, même si celui-ci est ~troit. On peut ainsi
adapter facilement 1'invention à des petits recipients existc~nts de
capacite relativement reduite.
En variante, le clapet 21 peut être remplacë par un autre
organe capable de creer une perte de charge, par exe~ple par un tube
capillaire ou un él~ment fritte.
Le recipient decrit ci-dessus cx~mporte le circuit 10-19-13
parce qu'on a suppose qu'on le remplissait avec le melange liquide dejà
prepare. Cependant, on peut egalement realiser le melange dans le
recipient lui-m&me, de la fason suivante : on verse la quantite
necessaire du lic~uide le plus volatil (par exemple l'azote liquide), ce
qui assure la mise en froid du recipient et la mise c~ l'equilibre de
l'azote sous la pression atmospherique à 77 K ; c~ns un condenseur
extérieur, qui peut etre commun à un ensemble de recipients, on
sous-refroidit le ou les autres constituants du melange ~par exemple
l'oxygene liquide) à la ~ême temperature (par exemple dans un serpentin
immerge dans de l'azote liquide), puis on le (les) verse dans le
recipient. Dans ce cas, le circuit 10-19-13 n'est plus nécessaire, et par
suite la tête amovible 5 du reservoir 1 ne cc~porte plus que deux
conduites traversant la bride 6, à savoir les conduites 7 et 15, et la
structure du reservoir est encore simplifiee.
