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La présente invention est relative au trans-
fert d'hydrogène liquide, notamment d'un réservoir de
stockaqe de grande capacité à une citerne beaucoup
plus petite telle qu'une citerne routière.
La citerne est généralement à une pression
supérieure à celle du réservoir. Pour effectuer son
remplis~a~e, il est connu de pressuriser le réservoir
au mo~rell d'hydrogène gazeux, puis de transférer le
liquide soit directement, soit par l'intermédiaire
d'une pompe. La pressurisation est obtenue par la
vaporisation d'une partie de l'hydrogène, entraînant
une augmentation des pertes sous forme d'hydrogène
gazeux difficilement valorisable. Un inconvénient
similaire intervient si l'on commence par purger la
citerne avant d'utiliser la pression du réservoir pour
effectuer le transfert de liquide, la perte en hydro-
gène gazeux étant directe dans ce cas.
1'invention a pour but de limiter au maximum
les pertes d'hydrogène gazeux liées au transfert
d'hyd~ogène liquide.
A cet effet, l'invention a pour objet un
procédé de transfert d'hydrogène liquide d'un réser-
voir de stockage à une citerne, caractérisé en ce que:
(a) on reliquéfie de l'hydrogène gazeux con-
tenu dans la citerne jusqu'à atteindre dans cette ci-
terne une pression inférieure d'une valeur prédétermi-
née à la pression du réservoir, cette reliquéfactions'effectuant par échange de chaleur avec un fluide de
cycle frigorifique qui, après compression et refroi-
dissement, est utilisé comme agent frigorigène, éven-
tuellement après stockage intermédiaire ; et
(b) lorsque ladite pression est atteinte, on
relie la citerne au fond du réservoir pour effectuer
le transfert d'hydrogène liquide.
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Suivant des caractéristiques avantageuses :
- avant la phase (a) de reliquéfaction, on
équili~re les pressions entre la citerne et le
xéser~c~lL en reliant leurs parties supérieures, puis
on lec l~ole l'un de l'autre ;
- pendant la phase ~b) de transfert, on
- sous-refroidit l'hydrogène liquide au cours de son
trajet du réservoir à la citerne ;
- le fluide de cycle peut être constitué par
de l'hydrogène gazeux prélevé dans le réservoir et/ou
dans la citerne, ou bien, en variante, par de l'hé-
lium.
L'invention a également pour objet une ins-
tallation de transfert d'hydrogène liquide destinée à
la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cette installation
comprend :
- un échangeur de chaleur muni d'un cycle
frigorifique comprenant un compresseur, des passages
de refr~idissement du fluide de cycle comprimél des
moyens de détente du fluide de cycle, des passages de
réchauffement du fluide de cycle détendu, et éventuel-
lement un récipient de stockage intermédiaire du
fluide de cycle comprimé et refroidi ;
- un circuit de reliquéfaction d'hydrogène
gazeux contenu dans la citerne ; et
- une conduite de transfert permettant de
relier sélectivement la citerne au fond du réservoir.
Des exemples de mise en oeuvre de l'inven-
tion vont maintenant être décrits en regard des des-
sins annexés~ sur lesquels :
- la Fig. 1 représente schématiquement une
installation de transfert d'hydrogène liquide voisine
de l'invention ;
- la Fig. 2 représente schématiquement une
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installation de transfert d'hydrogène liquide conforme
à l'invention ;
- la Fig. 3 représente de façon analogue un
autre mode de réalisation de l'invention ; et
- la Fig. 9 représente schématiquement une
partie de l'installation de la Fig. 2 ou de la Fig. 3
non visible sur ces Figures.
I,'installation représentée à la Fig. 1 est
destinée à transférer de l'hydrogène liquide d'un
réservoir 1 de grande capacité à une citerne 2
beaucoup plus petite, telle qu'une citerne routière.
Elle comprend essentiellement un échangeur de chaleur
3 et un compresseur 4.
L'échangeur 3 comporte des passages 5 de
réchauffement partant de la région froide de l'échan-
geur et dont l'extrémité d'entrée est reliée d'une
part à la partie supérieure du réservoir, via une con-
duite 6, et d'autre part à celle de la citerne, via
une coIIduite 7.
La sortie des passages 5, au bout chaud de
l'échangeur 3, qui est à peu près à la température
ambiante, est reliée à l'aspiration du compresseur 4,
dont le refoulement communique avec une capacité
tampon 1~4 et, de là r d'une part avec une conduite 8
de distribution d'hydrogène gazeux sous pression,
d'autre part avec une conduite de recyclage 9.
Celle-ci débouche dans des passages 10 de refroidis-
sement qui traversent toute la longueur de l'échangeur
3 et, à son bout froid, communiquent d'une part avec
le réservoir, via une conduite 11, et d'autre part
avec la citerne, via une conduite 12. Une conduite 13
relie par ailleurs la citerne au fond du réservoir 1.
Les conduites 6 à 3 et 11 à 13 sont équipées de
vannes, dont la manoeuvre permet d'assurer le
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fonctivnnement suivant.
La citerne 2 à remplir se trouve initiale-
ment à une pression supé~ieure à celle du réservoir 1.
On coMmence par équilibrer les pressions via les con-
duites 6 et 7, puis on met en marche le compresseur 4
en alimentant la conduite 9. De l'hydrogène gazeux
contenu dans le réservoir et dans la citerne est com-
primé et liquéfié, et l'hydrogène liquide est renvoyé
dans Le réservoir et/ou dans la citerne après détente
via les conduites 11 et 12. Lorsque la pression con-
venabl~ du réservoir est atteinte, on ferme les vannes
des conduites 6 et 11, de sorte que l'hydrogène liqué-
fié n'est renvoyé que dans la citerne et que la pres-
sion régnant dans celle-ci continue à décroître. Lors-
que la différence de pression est suffisante, l'ouver-
ture des vannes de la conduite 13 permet de réaliser
le transfert d'hydrogène liquide du réservoir jusque
dans la citerne. L'excès d'hydrogène gazeux peut être
évacué de l'installation via la conduite 8.
L'~nstallation représentée à la Fig. 1 pré-
sente un inconvénient dans le cas de l'hydrogène. En
effet, l'h~drogène liquide est entièrement sous forme
para, tandis que l'hydrogène gazeux réchauffé à la
-température ambiante contient une proportion importan-
te d'ortho-hydrogène, dont l'enthalpie, à basse tempé-
rature, est supérieure à celle du para-hydrogène. Par
suite, en procédant comme décrit ci-dessus, on
renverrait dans la citerne et/ou dans le réservoir de
l'ortho-hydrogène, qui provoquerait un apport de
chaleur, et donc une vaporisation indésirable
d'hydrogène liquide, pour revenir à la forme stable
para.
L'installation représentée à la Fig. 2 per-
met d'éviter cet inconvénient. Elle diffère de la pr-
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s
cédente par les points suivants :
- les conduites 6 et 7 se rejoignent en-
dehors de l'échangeur 3,en une conduite 14 qui se di-
vise en deux conduites : une conduite 15 reliée à des
passages de liquéfaction 16 prévus dans la partie
froide de l'échangeu.r, et une conduite 17 reliée à un
point intermédiaire des passages de réchauffement 5.
La sortie des passages 16, au bout froid de l'échan-
geur, est reliée aux conduites 11 et 12 ;
- les passages 10 se terminent avant le
bout froid de l'échangeur et sont reliés à une con-
duite 18 munie d'une vanne de détente 21 qui débouchedans un récipient 19. Du fond de celui-ci part une
conduite 20 reliée à l'entrée des passages 5 et
équipée d'une vanne ;
- la conduite 13 comporte une partie, cons-
tituée par des passages 113 de la partie froide de
l'échangeur 3, servant au sous-refroidissement de
l'hydrogène liquide en cours de trans~ert
Le fonctivnnement de l'installation de la
Fig. 2 est analogue à celui décrit plus haut en regard
de la Fig. 1, à ceci près que l'hydrogène gazeux com-
primé recyclé par la conduite 9 est, après liquéfac-
tion dans les passages 10, envoyé au récipient 19 via
la conduite 18, puis la quantité nécessaire d'hydro-
gène liquide est détendue au voisinage de la pression
atmosphérique dans la vanne de détente 21 puis vapo-
risée sous cette pression dans les passages 5 et
renvoyée après réchauffement à l'aspiration du com-
presseur 4. ~e l'hydrogène gazeux peut être ajouté30 dans la région froide des passages 5, en provenance du
réservoir 1 et/ou de la citerne 2, via les conduites
6, 7, 14 et 17, et de l'hydrogène gazeux sous pression
peut être évacué de l'~nstallation via la conduite 8.
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Le récipient 1q sert de cap~cité tampon.
si nécessaire, pour améliorer le diagramme
d'échange thermique et~ pour diminuer la perte en
hydrogène gazeux, comme indiqué en traits mixtes sur
~a Fig. 2, une partie de l'hydrogène haute pression en
cours de refroidissement dans les passages 10 peut
être sortie de l'échangeur via une conduite 22,
détendue à une pression intermédiaire dans une vanne
de détente 23, réchauffée jusqu'à la température am-
biante dans des passages moyenne pression 24 de
l'échangeur, et renvoyée à un étage intermédiaire du
compresseur 4 via une conduite 25.
Ainsi, la totalité de l'hydrogène utilisé
comme fluide de cycle est renvoyée au compresseur, ce
qui évite tout renvoi d'ortho-hydrogène dans le ré-
servvir ou dans la citerne.
A titre d'exemple numérique, la citerne 2,
au départ sous 2 à 6 bars absolus, est amenée à 1,5 à
2,5 bars lors de la phase de reliquéfaction, soit 0,2
har au-dessous de la pression du réservoir 1. Le com-
presseur 4 refoule de l'hydrogène sous 50 bars, et les
deux tiers de l'hydrogène comprimé sont recyclés via
la conduite 9.
En utilisant le circuit de recyclage à
moyenne pression 22 à 25, on peut reliquéfier, si cela
est désiré, la quasi-totalité de l'hydrogène. La pres-
sion du circuit de recyclage sera de l'ordre de 15
bars absolus.
Dans le mode de réalisation de la Fig. 3, le
cycle frigorifique est un cycle hélium entièrement
indépendant des circuits véhiculant l'hydrogène~ Ce
cycle comprend un compresseur 4A muni d'une capacité
tampon 26 montée en parallèle à ses bornes, des passa-
ges 10A de refroidissement d'hélium haute pression
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reliés au refoulement du compresseur par une conduite
9A, ce-. passages 10A s'arrêtant ~ une certaine distan-
ce du i,out froid de l'échangeur 3A, et des passages 5A
de récllauffement d'hélium basse pression s'étendant
sur toute la longueur de l'échangeur et reliés à l'as-
piration du compresseur.
Dans la par~ie chaude de l'échangeur, une
partie de l'hélium haute pression est détendue dans
une turbine 27 et renvoyée dans les passages 5A, et le
reste de l'hélium haute pression, à l'extrémité froide
des passages 10A, est détendu dans une turbine 28 et
renvoyé au bout froid de l'échangeur, à l'entrée des
passages 5A. Les circuits véhiculant l'hydrogène com-
prennent les conduites et passages 6, 7, 11, 12, 13,
113, 15 et 16 décrits plus haut.
Comme on le comprend, l'installation de la
Fig. 3 non seulement évite tout renvoi d'ortho-hydro-
gène dans le réservoir et dans la citerne, mais égale-
ment supprime toute perte d'hydrogène gazeux.
Comme indiqué en traits mixtes à la Fig. 3,
la turbine 27 peut être remplacée par des passages 5B
de vaporisation d'azote liquide.
Comme representé à la Fig. 4, l'installation
de la Fig. 2 ou celle de la Fig. 3 est avantageusement
complétée par des moyens de mise en froid de la citer-
ne avant son remplissage. Ces moyens comprennent uncircuit 29 de circulation d'hydrogène gazeux équipé
d'une soufflante de circulation 30, et un échangeur de
chaleur auxiliaire 31 refroidi par vaporisation d'azo-
te liquide dans des passages 32 de cet échangeur et
traversé par le circuit 29.
Bien entendu, les installations des Fig. 1
et 3 comportent diverses régulations permettant
d'assu~er le fonctionnement décrit plus haut dans des
conditions optimales.
