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Dispositif de compression d'un fluide stocké sous la forme d'un
liquide cryogénique, et procédé de fabrication associé
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[1] Le domaine de l'invention est celui du stockage d'un gaz.
[2] Plus précisément, l'invention concerne un dispositif de compression
d'un
fluide stocké sous la forme d'un liquide cryogénique et un procédé de
fabrication
associé.
[3] L'invention trouve notamment des applications pour le stockage du
dihydrogène en vue d'alimenter un véhicule électrique, ou pour le stockage
d'autres
fluides tels que le dioxygêne, le diazote, l'argon ou le méthane.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
[4] Il est connu de l'art antérieur des techniques de stockage d'un gaz
sous
pression sous la forme de bouteilles stockées dans un râtelier. Chaque
bouteille,
formée le plus souvent en acier ou en aluminium, stocke généralement une
quantité
de gaz donnée à une pression maximale de l'ordre de 200 à 300 bar. Or,
notamment
pour le dihydrogène, il est couramment admis qu'une pression optimale de
stockage
est de l'ordre de 700 bar. Des bouteilles en composite avec structure fibre de
carbone
sont alors utilisés.
[5] Afin d'obtenir un tel niveau de pression, il est par conséquent
nécessaire
d'utiliser un compresseur mécanique complexe, notamment pour remplir un
réservoir
d'un véhicule à une pression supérieure à la pression des bouteilles.
[6] En outre, les techniques de stockages sous forme de bouteilles dans un
râtelier présentent l'inconvénient d'être encombrantes. Par ailleurs, une
gestion
complexe de la flotte de bouteilles est généralement mise en place afin de
manutentionner régulièrement les bouteilles pour les remplacer afin de
permettre au
stockage d'avoir une pression suffisante pour alimenter un réservoir d'un
véhicule à
proximité.
[7] Afin de réduire l'encombrement et le transport du gaz, il a été
développé
des techniques permettant de stocker le gaz sous forme liquide, généralement à
des
températures cryogéniques.
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[8] De telles techniques comprennent généralement un réservoir cryogénique
dont l'isolation est effectuée pour une enceinte sous vide entourant
l'enceinte interne
du réservoir.
[9] L'inconvénient de ces techniques est que le gaz sous forme liquide a
tendance à se vaporiser sous l'effet des apports thermiques inhérents à tout
dispositif
cryogénique. Ainsi, afin d'éviter que les contraintes de pression ne dépassent
les
contraintes mécaniques admissibles pour un matériau soumis à une température
cryogénique, une soupape de sécurité est généralement mise en place pour
limiter la
pression à l'intérieur de l'enceinte. La pression généralement admissible pour
de telles
enceintes est inférieure à 10 bar.
[10] Il convient en effet de souligner que le matériau utilisé pour les
enceintes
cryogéniques est le plus souvent un matériau métallique offrant des
caractéristiques
mécaniques adaptées aux basses températures, c'est-à-dire à des températures
inférieures à -20 C. En outre, les réservoirs en matériau composite, tel que
ceux
comprenant de la fibre de carbone, sont peu adaptées aux basses températures
car
ne résistant généralement pas aux contraintes mécaniques liées à la pression à
ces
températures.
[11] Un exemple de technique de l'art antérieur concernant un réservoir de
stockage de fluide cryogénique est notamment décrit dans la demande de brevet
français publiée sous le numéro FR3089600.
[12] Aucun des systèmes actuels ne permet de répondre simultanément à tous
les besoins requis, à savoir de proposer une technique qui permette de stocker
une
grande densité de gaz sous une forme compacte, et d'offrir une compression de
gaz
importante, pouvant aller jusqu'à 700 ou 800 bar, sans utilisation d'un
dispositif
mécanique complexe.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
[13] La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients
de l'état de la technique cités ci-dessus.
[14] A cet effet, l'invention vise un dispositif de compression d'un gaz, tel
que
du dihydrogène, du dioxygène, du diazote, ou de l'argon, comprenant
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¨ une enceinte cryogénique, apte à contenir le fluide sous forme liquide à
une
température cryogénique, et du fluide sous forme de gaz provenant d'une
vaporisation du liquide dans l'enceinte cryogénique ;
¨ une enceinte de pression englobant l'enceinte cryogénique, configurée
pour
résister à une pression interne ;
¨ un dispositif d'équilibrage de la pression entre l'intérieur de
l'enceinte
cryogénique et l'intérieur de l'enceinte de pression, le dispositif
d'équilibrage
comprenant une tuyauterie configurée pour transférer du gaz en surpression
dans l'enceinte cryogénique dans un espace compris entre l'enceinte de
pression et l'enceinte cryogénique, la tuyauterie comprenant un dispositif de
réchauffage du gaz en surpression provenant de l'enceinte cryogénique, à une
température prédéterminée supérieure à la température cryogénique.
[15] Ainsi, le fluide peut être comprimé à une pression importante sans
utilisation d'un dispositif mécanique complexe en réinjectant le gaz en
surpression
provenant de la vaporisation du liquide cryogénique contenu dans l'enceinte
cryogénique.
[16] En outre, afin d'éviter une détérioration de l'enceinte cryogénique sous
l'effet de la pression, l'enceinte cryogénique est avantageusement baignée
dans un
environnement sous pression dans lequel la pression est équilibrée entre
l'intérieure
et l'extérieure de l'enceinte cryogénique. Les contraintes de pression sont
ainsi
reportées sur l'enceinte de pression qui englobe l'enceinte cryogénique.
[17] Par ailleurs, la température de l'enceinte sous pression est en service
préférentiellement supérieure à -20 C afin de garantir la résistance
mécanique de
l'enceinte sous pression à des pressions élevées dont la valeur maximale est
par
exemple de l'ordre de 100 à 800 bar.
[18] Il convient de souligner que le dispositif de compression n'a pas
vocation
à stocker le fluide sur une longue durée mais est plutôt destiné à s'insérer
dans un
système de stockage comprenant un réservoir cryogénique stockant le fluide
sous
forme liquide et un réservoir de stockage final. Dans ce système de stockage,
le
dispositif de compression correspond à un étage intermédiaire permettant de
fournir
au réservoir de stockage final un gaz comprimé issu de la vaporisation d'une
partie du
liquide cryogénique stocké préalablement dans le réservoir cryogénique. Le gaz
comprimé peut ensuite être utilisé pour alimenter par exemple un réservoir
d'un
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véhicule muni d'une pile à combustible pour générer de l'électricité
alimentant un
moteur électrique du véhicule.
[19] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif
de
réchauffage du gaz est un échangeur thermique placé à l'extérieur de
l'enceinte de
pression.
[20] L'échangeur thermique peut être du type gaz/gaz ou gaz/fluide afin de
permettre de réchauffer le gaz extrait de l'enceinte cryogénique à une
température
adaptée pour l'enceinte de pression. Une telle température adaptée peut être
déterminée en fonction des contraintes admissibles par l'enceinte de pression
à la
pression de service choisie.
[21] La forme et le type de l'échangeur thermique sont déterminés en fonction
de la puissance à extraire et des températures d'entrée et de sortie de
l'échangeur.
[22] Alternativement ou en complément de l'échangeur thermique, le dispositif
de réchauffage comprend une résistance thermique insérée dans la tuyauterie.
La
résistance thermique peut être à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enceinte de
pression.
[23] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif
de
compression inclut un conduit d'introduction dans l'enceinte cryogénique du
fluide
sous forme liquide, le conduit traversant les parois de l'enceinte de pression
et de
l'enceinte cryogénique, la tuyauterie du dispositif d'équilibrage comprenant :
¨ un conduit d'extraction du gaz en surpression, traversant l'enceinte de
pression et l'enceinte cryogénique en direction d'une entrée du dispositif de
réchauffage ;
¨ un conduit d'équilibrage, traversant l'enceinte de pression et débouchant
entre
l'enceinte de pression et l'enceinte cryogénique, le conduit d'équilibrage
étant
relié à une sortie du dispositif de réchauffage.
[24] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif
de
compression comprend également un dispositif de chauffage à l'intérieur de
l'enceinte
cryogénique configuré pour vaporiser le fluide sous forme liquide avec un flux
d'énergie prédéterminé.
[25] Ainsi, il est possible d'augmenter le débit de gaz extrait de l'enceinte
cryogénique et de contrôler cette quantité de gaz. Il convient de souligner
que le débit
de gaz extrait de l'enceinte ne peut être inférieur au débit de vaporisation
naturelle du
liquide cryogénique sous l'effet du flux d'apport énergétique traversant les
parois de
l'enceinte cryogénique. L'isolation de l'enceinte cryogénique est en effet
configurée
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pour minimiser ce flux d'apport énergétique dans un environnement sous
pression, ce
qui exclut l'utilisation d'une enceinte sous vide qui permettrait de réduire
d'avantage le
flux d'apport énergétique en minimisant les ponts thermiques vers l'intérieur
de
l'enceinte cryogénique. En outre, dans la mesure où le dispositif de
compression
correspond à un étage intermédiaire du système de stockage, la qualité de
l'isolation
de l'enceinte cryogénique du dispositif de compression est peu prépondérante
dans le
fonctionnement du dispositif de compression. L'isolation de l'enceinte
cryogénique est
néanmoins configurée pour éviter une température trop basse dans l'enceinte de
pression.
[26] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le dispositif
de
chauffage comprend une résistance électrique et/ou un conduit de circulation
d'un
fluide caloporteur.
[27] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, l'enceinte de
pression et l'enceinte cryogénique sont de forme globalement cylindrique
autour d'un
même axe de révolution.
[28] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, l'enceinte de
pression est essentiellement formée dans un matériau métallique, et configurée
pour
résister à une pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
[29] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, l'enceinte
cryogénique comprend une couche d'un matériau solide isolant résistant aux
températures cryogéniques et au fluide.
[30] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le matériau
solide isolant est du polychlorotrifluoroéthylène (PTCFE).
[31] L'invention vise également un procédé de fabrication d'un dispositif de
compression selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents, le
procédé
de fabrication comprenant des étapes de :
¨ façonnage de l'enceinte de pression sous une forme cylindrique fermée à une
extrémité ;
¨ insertion de l'enceinte cryogénique à l'intérieur de l'enceinte de
pression ;
¨ insertion sous une forme liquide d'un matériau de protection entre
l'enceinte
extérieure et l'enceinte cryogénique, le matériau de protection se durcissant
;
¨ façonnage d'un rétrécissement à l'extrémité ouverte de l'enceinte de
pression
après durcissement du matériau de protection ;
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¨ dissolution et extraction du matériau de protection ;
¨ fermeture de l'enceinte de pression de manière étanche.
[32] Ainsi, grâce à la présence du matériau de protection, il est possible de
façonner l'enceinte de pression du dispositif de compression sans endommager
l'enceinte cryogénique qui est généralement plus fragile car réalisée
essentiellement
dans un matériau ayant tendance à se dégrader sous l'effet de la chaleur.
[33] Dans des modes de mise en uvre particuliers de l'invention, un matériau
réfléchissant est introduit avant l'étape de façonnage du rétrécissement afin
de
protéger l'enceinte cryogénique de la radiation thermique.
[34] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'étape de
façonnage d'un rétrécissement est effectuée par déformation de l'extrémité
ouverte.
[35] Dans des modes de mise en uvre particuliers de l'invention, la
déformation est effectuée par forgeage.
[36] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, l'étape de
façonnage d'un rétrécissement est effectuée par solidarisation d'une pièce.
[37] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, le procédé
de fabrication comprend une étape d'insertion d'un bouchon avant l'étape de
façonnage d'un rétrécissement, le bouchon permettant de fermer l'enceinte de
pression de manière étanche.
[38] Dans des modes de mise en uvre particuliers de l'invention, le procédé
de fabrication comprend une étape de filetage du rétrécissement de l'extrémité
ouverte
de l'enceinte de pression, le filetage étant configuré pour s'assembler avec
un filetage
du bouchon.
[39] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, le
façonnage de l'enceinte de pression est effectué par forgeage.
[40] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, le procédé
de fabrication comprend une étape d'adjonction d'une couche extérieure de
renfort en
matériau composite.
[41] Cette étape d'adjonction peut avantageusement être effectuée par
l'enroulement d'au moins une bande de fibre, préférentiellement de carbone,
enduite
de résine autour de l'enceinte de pression.
[42] Dans des modes de mise en oeuvre particuliers de l'invention, le matériau
de protection est un mélange d'un matériau granulaire et d'une résine liquide.
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[43] L'invention vise aussi un procédé alternatif de fabrication d'un
dispositif de
compression selon l'un quelconque des modes de réalisation précédents,
comprenant
des étapes de :
¨ façonnage d'un squelette de l'enceinte de pression sous forme cylindrique
;
¨ insertion de l'enceinte cryogénique à l'intérieur du squelette de
l'enceinte de
pression ;
¨ enrobage du squelette de l'enceinte de pression par enroulement d'au
moins
une bande de fibre enduite de résine ;
¨ fermeture de l'enceinte de pression de manière étanche.
[44] L'invention vise également un système de stockage d'un fluide, tel que du
dihydrogène, du dioxygène, du diazote ou de l'argon, comprenant :
¨ un réservoir cryogénique stockant le fluide sous forme liquide à une
pression
inférieure à 10 bar et à une température inférieure à -150 C ;
¨ un dispositif de compression selon l'un quelconque des modes de
réalisation
précédents, alimenté par le réservoir cryogénique;
¨ un réservoir de stockage d'un gaz sous pression, configuré pour résister
à une
pression interne maximale comprise entre 100 et 800 bar.
[45] Enfin, l'invention vise aussi un procédé de compression d'un fluide
stocké
sous forme liquide dans un réservoir cryogénique dudit système de stockage,
comprenant des étapes de:
¨ remplissage de l'enceinte cryogénique du dispositif de compression dudit
système de stockage avec du fluide sous forme liquide à une température
cryogénique;
¨ fermeture du circuit entre le réservoir cryogénique et le dispositif de
compression ;
¨ vaporisation du fluide sous forme liquide en un gaz ;
¨ extraction naturelle en continu du gaz en surpression dans l'enceinte
cryogénique;
¨ réchauffage du gaz extrait à une température supérieure à -20 C;
¨ augmentation de la pression dans le dispositif de compression par
réinjection
du gaz réchauffé dans un espace entre l'enceinte de pression et l'enceinte
cryogénique.
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[46] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le procédé de
compression comprend également une étape de dérivation du gaz en surpression
lorsque la pression à l'intérieur du dispositif de compression est supérieure
à une
valeur prédéterminée, le gaz dérivé étant transféré dans le réservoir de
stockage d'un
gaz sous pression du système de stockage.
[47] Dans des modes de réalisation particuliers de l'invention, le procédé de
compression comprend également une étape de vidange d'une partie du gaz du
dispositif de compression, afin de baisser la pression interne du dispositif
de
compression à une valeur inférieure à la pression du réservoir cryogénique,
préalablement à un nouveau remplissage de l'enceinte cryogénique du dispositif
de
compression avec du fluide sous forme liquide à une température cryogénique
provenant du réservoir cryogénique.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[48] D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente
invention ressortiront de la description non limitative qui suit d'au moins un
mode de
réalisation particulier des dispositifs et procédés objets de la présente
invention, en
regard des dessins annexés, dans lesquels :
¨ la figure 1 est une vue en perspective d'un système de stockage
comprenant
un exemple de mode de réalisation du dispositif de compression selon
l'invention ;
¨ la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de compression de la
figure 1 ;
¨ la figure 3 est une vue synoptique d'un mode de mise en oeuvre d'un
procédé
de fabrication du dispositif de compression de la figure 1 ;
¨ la figure 4 comprend cinq vues successives illustrant le procédé de
fabrication
de la figure 3 ;
¨ la figure 5 est une vue synoptique d'un mode de mise en uvre d'un
procédé
de compression mettant en uvre le système de la figure 1 ;
¨ la figure 6 comprend deux vues en coupe d'un autre exemple de mode de
réalisation d'un dispositif de compression pouvant s'insérer dans le système
de stockage de la figure 1 ;
¨ la figure 7 est une vue synoptique d'un mode de mise en oeuvre d'un
procédé
de fabrication du dispositif de compression de la figure 6.
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DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
[49] La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque
caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre
caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
[50] On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle.
Exemple d'un mode de réalisation particulier
[51] La figure 1 est une vue en perspective d'un système 100 de stockage
comprenant un dispositif 110 de compression selon l'invention.
[52] Le dispositif 110 de compression correspond à un étage intermédiaire
entre un réservoir cryogénique 120 stockant un fluide sous la forme d'un
liquide et un
deuxième réservoir 130 stockant le fluide sous la forme d'un gaz sous pression
en vue
par exemple d'alimenter un réservoir d'un véhicule (non représenté sur la
figure 1).
[53] Dans le présent non limitatif de l'invention, le fluide est du
dihydrogène
(H2) utilisé pour alimenter une pile à combustible du véhicule dont la
motorisation est
électrique. La présente invention peut également s'appliquer au stockage
d'autres
types de fluide, tel que du diazote (N2), du dioxygène (02), de l'argon (Ar)
ou du
méthane (CH4) en adaptant si nécessaire les dimensions et les conditions de
fonctionnement qui sont décrits ci-après.
[54] Préférentiellement, la présente invention s'applique aux fluides dont la
température de changement de phase liquide/gaz est inférieure à 120 K (c'est-à-
dire
environ -150 C).
[55] Par soucis de clarté, le fluide sous forme liquide est appelé par la
suite
liquide cryogénique et le fluide sous forme gazeuse est appelé gaz.
[56] Le dispositif 110 de compression permet d'une part de vaporiser le
liquide
cryogénique provenant du réservoir cryogénique 120 où il est stocké par
exemple à
bar et à une température de 3 K (c'est-à-dire -270 C), et d'autre part de
comprimer
le gaz obtenu sans utilisation de pièces mécaniques complexes à des pressions
de
l'ordre de 300 à 800 bar.
[57] A cet effet, comme on peut le voir plus en détails sur la figure 2 qui
est une
vue en coupe du dispositif 110 de compression, le dispositif 110 de
compression est
composé principalement de deux chambres 210 formées par une enceinte interne
cryogénique 220 et par une enceinte extérieure de pression 230 englobant
l'enceinte
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cryogénique 220. L'enceinte cryogénique 220 et l'enceinte 230 de pression sont
de
forme globalement cylindrique autour d'un même axe 235 de révolution.
[58] L'enceinte cryogénique 220 est destinée à contenir une quantité
prédéterminée de liquide cryogénique 225 qui a été transféré du réservoir
cryogénique
120 par un conduit 240. Le conduit 240 traverse les parois de l'enceinte 230
de
pression et de l'enceinte cryogénique 220, à travers des bouchons 231 et 221,
et
débouche dans une partie basse de l'enceinte cryogénique 220 afin de limiter
l'évaporation du liquide cryogénique lors de la phase de remplissage.
[59] Au cours de cette phase de remplissage, une partie du liquide cryogénique
225 se vaporise dans un premier temps avec un débit important notamment dans
une
phase de mise en température de l'enceinte cryogénique 220, puis avec un débit
plus
faible lorsque la température de l'enceinte cryogénique 220 s'est stabilisée.
Le débit
correspond alors au flux d'énergie Ep traversant par conduction l'enceinte
cryogénique
220 dont la structure n'est pas optimisée pour stocker sur une longue durée le
liquide
cryogénique mais configurée uniquement pour contenir le liquide cryogénique
225
pendant sa phase de vaporisation.
[60] Le gaz 226 obtenu par vaporisation du liquide cryogénique 225 va avoir
tendance à augmenter la pression de l'enceinte cryogénique 220. Afin d'éviter
une
déformation de l'enceinte cryogénique et permettre une augmentation de la
pression
au sein du dispositif 110 de compression, le dispositif 110 de compression
comprend
un dispositif 250 d'équilibrage de la pression entre la chambre 210A à
l'intérieur de
l'enceinte cryogénique 220 et la chambre 210B comprise entre l'enceinte 230 de
pression et l'enceinte cryogénique 220.
[61] Le dispositif 250 d'équilibrage de la pression comprend une tuyauterie
configurée pour transférer du gaz en surpression dans l'enceinte cryogénique
220
dans un espace compris entre l'enceinte 230 de pression et l'enceinte
cryogénique
220, à savoir ici dans la chambre 210B dont le volume est égal au volume
intérieur de
l'enceinte 230 de pression auquel est retranché le volume de l'enceinte
cryogénique
220.
[62] Avantageusement, la tuyauterie du dispositif 250 d'équilibrage de la
pression comprend un dispositif 270 de réchauffage du gaz provenant de
l'enceinte
cryogénique 220, à une température prédéterminée supérieure à la température
cryogénique. La température prédéterminée peut-être par exemple égale à 250 K
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(environ -20 C), à la température ambiante, ou à tout autre température
comprise entre
250 K et la température ambiante.
[63] Préférentiellement, le dispositif 270 de réchauffage du gaz est un
échangeur thermique placé à l'extérieur de l'enceinte 230 de pression, comme
illustré
sur la figure 2. L'échangeur thermique est configure afin de permettre de
réchauffer le
gaz provenant de l'enceinte cryogénique 220 en moyenne à la température
prédéterminée. L'échangeur thermique peut être du type gaz/gaz ou gaz/liquide,
et est
configuré pour résister à des pressions importantes. L'avantage de l'échangeur
thermique est d'avoir un impact nul sur le bilan énergétique du fonctionnement
du
dispositif 110 de compression, le gaz se déplaçant naturellement entre les
deux
enceintes du dispositif 110 de compression, en traversant l'échangeur
thermique.
[64] L'échangeur thermique peut être constitué par exemple d'ailettes en
saillie
autour de la tuyauterie ou d'une forme plus complexe apte à résister à la
pression tel
qu'un échangeur à tubes.
[65] Alternativement ou en complément, le dispositif 270 de réchauffage du gaz
peut être une résistance chauffante.
[66] La tuyauterie du dispositif 250 d'équilibrage de la pression comprend un
conduit 251 d'extraction du gaz en surpression, traversant l'enceinte de
pression 230
et l'enceinte cryogénique 220 en direction d'une entrée du dispositif 270 de
réchauffage du gaz.
[67] La tuyauterie du dispositif 250 d'équilibrage de la pression comprend
également un conduit 252 d'équilibrage permettant de renvoyer le gaz extrait
de
l'enceinte cryogénique 220 dans la chambre 210B. A cet effet, le conduit 252
d'équilibrage est relié à une sortie du dispositif 270 de réchauffage du gaz,
traverse
l'enceinte de pression 230 et débouche entre l'enceinte de pression 230 et
l'enceinte
cryogénique 220.
[68] La chambre 210B stocke ainsi du gaz sous pression à une température de
l'ordre de 250 K alors que la chambre 210A stocke du fluide à une température
cryogénique.
[69] Le flux de vaporisation du liquide cryogénique dans l'enceinte
cryogénique
220 correspond au minimum au flux d'énergie thermique Ep traversant les
parois. Le
flux de vaporisation peut être augmenté par un apport énergétique effectué par
exemple grâce à un dispositif 280 de chauffage inséré à l'intérieur de
l'enceinte
cryogénique 220. Cet apport énergétique qui peut être varié automatiquement ou
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manuellement par un opérateur permet d'ajuster le flux de vaporisation du
liquide
cryogénique.
[70] Le dispositif 280 de chauffage peut être par exemple composé d'une
résistance électrique et/ou d'un conduit de circulation d'un fluide
caloporteur.
[71] L'enceinte 230 de pression est essentiellement formée dans un matériau
métallique, permettant ainsi une configuration de l'enceinte pour résister à
une
pression interne maximale de l'ordre de 800 bar.
[72] L'enceinte cryogénique 220 est quant à elle essentiellement formée, dans
le présent exemple non limitatif de l'invention, dans un matériau solide
isolant résistant
aux températures cryogéniques. Avantageusement, le matériau solide isolant
utilisé
pour l'enceinte cryogénique 220 est inerte au fluide contenu.
[73] Ici, le matériau solide isolant utilisé est du
polychlorotrifluoroéthylène
(PTCFE), conférant de bonnes propriétés mécaniques en termes d'isolation et de
résistance des matériaux aux températures cryogéniques.
[74] Toutefois, il convient de souligner que l'enceinte cryogénique 220 formée
dans un tel matériau isolant a tendance à se dégrader lorsque la pression
interne est
supérieure à 5 ou 10 bar par rapport à la pression extérieure. Son rôle
principal est
alors d'offrir un contenant adapté au stockage provisoire du liquide
cryogénique
provenant du réservoir cryogénique 120, pendant la phase de compression
isochore
du gaz issu de la vaporisation du liquide cryogénique, tout en minimisant les
pertes
thermiques afin d'ajuster au mieux la quantité de gaz produit par vaporisation
du liquide
cryogénique.
[75] Lorsque la pression cible est atteinte dans le dispositif 110 de
compression, une vanne 290 est ouverte afin de transférer du gaz sous pression
dans
le réservoir 130 de stockage.
[76] Avantageusement, une vanne 295 de vidange du dispositif 110 de
compression peut être comprise dans le circuit afin de baisser la pression
interne du
dispositif 110 de compression à une valeur inférieure à la pression du
réservoir
cryogénique 120, préalablement à un nouveau remplissage de l'enceinte
cryogénique
220 du dispositif 110 de compression avec du liquide cryogénique provenant du
réservoir cryogénique 120.
[77] La figure 3 est une vue synoptique d'un exemple de mise en oeuvre d'un
procédé 300 de fabrication du dispositif 110 de compression selon l'invention.
La figure
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4 illustre sous la forme schématique l'avancée de la fabrication du dispositif
110 de
compression.
[78] Le procédé 300 de fabrication comprend une première étape 310 de
façonnage de l'enceinte de pression 230 sous une forme globale d'un cylindre
400
longiligne fermé à une extrémité 410, l'autre extrémité ouverte 420 étant
laissée droite
dans un premier temps pour permettre l'insertion de l'enceinte cryogénique 220
au
cours d'une deuxième 320 du procédé 300 de fabrication, comme illustré par la
sous-
figure a) de la figure 4. Le façonnage de la première étape 310 peut être
effectué par
exemple par une technique classique de chaudronnerie à partir d'un tuyau ou
d'un
disque déformé par une presse.
[79] Afin de maintenir et protéger l'enceinte cryogénique 220, un matériau de
protection 430 est inséré sous une forme liquide dans la chambre 21013 entre
l'enceinte
de pression 230 et l'enceinte cryogénique 220 au cours d'une troisième étape
330 de
fabrication, comme illustré par la sous-figure b) de la figure 4. Le matériau
de protection
qui est par exemple un mélange de résine et d'un matériau granulaire tel que
du sable,
va se durcir après son insertion dans la chambre 210B.
[80] A cet effet, le matériau de protection peut avoir été préalablement
chauffé
pour le fluidifier permettant ainsi son insertion dans la chambre 210B. Lors
de son
refroidissement, le matériau de protection va se durcir en épousant la forme
de la
chambre 210B.
[81] Comme illustré par la sous-figure c) de la figure 4, un façonnage d'un
rétrécissement 440 de l'extrémité ouverte 420 de l'enceinte de pression 230
est
ensuite effectuée lors de la quatrième étape 340 du procédé 300 de
fabrication, après
que le matériau de protection ait durci.
[82] Ce façonnage peut être effectué par déformation de l'extrémité ouverte
420, par exemple par une technique de forgeage, ou par solidarisation d'une
pièce
complémentaire de forme adéquate. La solidarisation de la pièce complémentaire
peut
s'effectuer par brasage ou par soudage.
[83] Dans les deux cas, l'enceinte de pression 230 est chauffée localement à
une température suffisamment élevée pour être susceptible d'endommager
irréversiblement l'enceinte cryogénique 220. Toutefois, l'insertion préalable
du
matériau de protection au cours de l'étape 330 permet de minimiser la montée
en
température de l'enceinte cryogénique 220 lors de l'étape 340 de façonnage du
rétrécissement de l'extrémité ouverte de l'enceinte sous pression 230.
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[84] Il convient de souligner que l'épaisseur du tuyau utilisé pour façonner
l'enceinte de pression 230 correspond généralement à celui défini par le type
schedule 160 afin que le ratio entre l'épaisseur et le diamètre soit
suffisamment
grand pour résister aux contraintes mécaniques due à la pression nominale de
700 à
800 bar. Afin de pouvoir utiliser des tuyaux de plus faible épaisseur, comme
par
exemple de schedule 80 qui est plus adapté pour l'opération de forgeage,
un
renforcement par adjonction d'une couche extérieure 460 en matériau composite
peut
être envisagé lors d'une étape optionnelle 345. Comme illustré en sous-figure
e) de la
figure 4, la couche extérieure 460 en matériau composite peut par exemple être
réalisée par enroulement d'au moins une bande 465 de fibre de carbone enduite
de
résine.
[85] En complément ou alternativement au matériau de protection, un matériau
réfléchissant tel qu'un écran peut être introduit avant l'étape 340 de
façonnage, afin
de protéger l'enceinte cryogénique 220 de la radiation thermique induite lors
de l'étape
de façonnage.
[86] Le matériau de protection 430 est ensuite dissout et extrait du
dispositif
110 de compression au cours d'une cinquième étape 350 du procédé 300 de
fabrication.
[87] Le dispositif 110 de compression est finalisé par la fermeture de
l'enceinte
sous pression 230 de manière étanche au cours d'une sixième étape 360 du
procédé
300 de fabrication, comme illustré en sous-figure d) de la figure 4.
[88] Préférentiellement, un bouchon 450 de forme tronconique permettant de
fermer l'enceinte de pression, est inséré avant l'étape 340 de façonnage du
rétrécissement 440 au cours d'une étape optionnelle 325 du procédé 300 de
fabrication, par exemple juste après l'insertion de l'enceinte cryogénique
220. Le
bouchon 450 est fileté de manière complémentaire à un filetage du
rétrécissement 440
de l'extrémité ouverte 420, préalablement réalisé.
[89] Alternativement, un bouchon de forme cylindrique est inséré dans le
rétrécissement 440 et solidarisé au rétrécissement par une technique de
soudage ou
de brasage. Dans ce cas, le matériau de protection 430 est avantageusement
conservé, les étapes 350 et 360 du procédé de fabrication pouvant être
interverties.
[90] Il convient en effet de souligner que dans les deux cas les bouchons
présentent des trous débouchant, préférentiellement filetés afin de laisser
passer les
différents conduits 240, 251 et 252, à travers des presse-étoupes
préalablement
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installés. Le matériau de protection 430 peut ainsi être extrait de la chambre
21013 par
le trou débouchant prévu pour le conduit 252 d'équilibrage.
[91] L'enceinte cryogénique 220 est maintenu en position à l'intérieur de
l'enceinte de pression 230 par l'intermédiaire des presse-étoupes serrant de
manière
étanche les conduits 240 et 251 lors de leur traversée des bouchons 221 et 450
de
chaque enceinte.
[92] La figure 5 présente une vue synoptique d'un mode de mise en oeuvre
d'un procédé 500 de compression du fluide stocké sous la forme de liquide
cryogénique dans le réservoir cryogénique 120.
[93] Le procédé 500 de compression comprend une première étape 510 de
remplissage de l'enceinte cryogénique 220 du dispositif de compression 110
avec du
liquide cryogénique par l'intermédiaire du conduit 240 d'introduction.
[94] Le conduit 240 d'introduction entre le réservoir cryogénique 120 et le
dispositif de compression 110 est ensuite fermé par l'intermédiaire de
l'actionnement
d'une vanne 296 au cours d'une deuxième étape 520 du procédé 500 de
compression.
[95] Le liquide cryogénique se vaporise à l'intérieur de l'enceinte
cryogénique
au cours d'une troisième étape 530 du procédé 500 de compression. Cette
vaporisation peut être augmentée par l'ajout d'un apport énergétique par
l'intermédiaire du dispositif 280 de chauffage qui de manière préférentielle
plonge dans
le liquide cryogénique.
[96] Le gaz en surpression au-dessus du liquide cryogénique dans l'enceinte
cryogénique 220 est ensuite extrait de l'enceinte cryogénique 220 par
l'intermédiaire
du conduit 251 d'extraction au cours d'une quatrième étape 540 du procédé 500
de
compression.
[97] Le gaz extrait est réchauffé à une température proche ou supérieure à
250 K (environ -20 C) au cours d'une cinquième étape 550 avant d'être
réinjecté dans
l'enceinte de pression 230, plus précisément dans la chambre 210B comprise
entre
l'enceinte de pression 230 et l'enceinte cryogénique 220, au cours d'une
sixième étape
560 du procédé 500 de compression.
[98] La réinjection du gaz contribue à l'augmentation de la pression au sein
du
dispositif 110 de compression, la compression étant effectuée de manière
isochore.
[99] Il convient de souligner que l'extraction du gaz en surpression et la
réinjection du gaz dans l'enceinte de pression 230 s'effectue de manière
naturelle et
en continu, la pression du gaz cherchant à s'équilibrer au sein du dispositif
110 de
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compression. Plus précisément, un rééquilibrage naturel de la pression est
effectué
en continu entre les deux chambres 210 du dispositif 110 de compression, ce
rééquilibrage entraînant un transfert de gaz qui est réchauffé avant
réinjection.
[100] Lorsque la pression cible est atteinte, une partie du gaz en surpression
est
dérivé en ouvrant la vanne 290 lors d'une septième étape 570 du procédé 500 de
compression, afin de remplir le réservoir 130 de stockage de gaz en vue de son
utilisation.
[101] Il convient de souligner que la dérivation peut être avantageusement
effectuée dans le circuit du dispositif 250 d'équilibrage après que le gaz ait
traversé le
dispositif 270 de réchauffage. Alternativement, le gaz est dérivé en amont du
dispositif
270 de réchauffage. Dans ce cas, un dispositif annexe de réchauffage est
préférentiellement installé sur le conduit reliant la dérivation du dispositif
250
d'équilibrage au réservoir 130 de stockage.
[102] Le procédé 500 peut également comprendre une étape 580 de vidange
d'une partie du gaz du dispositif 110 de compression, afin de baisser la
pression
interne du dispositif 110 de compression à une valeur inférieure à la pression
du
réservoir cryogénique 120. Le procédé 500 peut alors recommencer.
[103] Dans le présent exemple non limitatif de l'invention, le réservoir
cryogénique 120 présente un volume de l'ordre de 3000 à 10000 litres. Le
volume de
l'enceinte cryogénique 220 est quant à lui de l'ordre de 100 à 300 litres. Le
volume de
la chambre 210B est généralement entre deux et cinq fois plus grand,
préférentiellement trois fois plus grand, que celui de l'enceinte cryogénique
220 afin
d'offrir un ratio de compression important. Il convient en effet de souligner
que la
masse volumique du gaz est généralement mille fois plus faible que celle du
liquide,
la vaporisation du liquide dans un volume donné entraîne par conséquent une
augmentation naturelle de la pression, qui est ici permise grâce d'une part à
la
présence de l'enceinte de pression 230 et d'autre part grâce au circuit
d'équilibrage
permettant de transférer le gaz entre les deux chambres 210 du dispositif 110
de
compression tout en le réchauffant pour éviter une dégradation de la
résistance
mécanique de l'enceinte de pression 230.
[104] Le volume du réservoir 130 de stockage est généralement trois fois plus
grand que celui de la chambre 210B, composé par exemple de trois sous-
réservoirs
de même volume que celui de la chambre 210B. Ces trois sous-réservoirs peuvent
être
dans des sous-circuits différents afin de pouvoir être rempli ou vidés
individuellement.
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Autre exemple de mode de réalisation
[105] La figure 6 illustre un autre exemple de dispositif 600 de compression
selon l'invention qui a été réalisé selon un procédé de fabrication alternatif
700
présenté sous la forme synoptique en figure 7.
[106] Le dispositif 600 de compression diffère du dispositif 100 de
compression
du précédent exemple de mode de réalisation par le fait que l'enceinte de
pression
630 est composée d'un squelette métallique 631 de forme globalement
cylindrique,
remplaçant le tuyau utilisé au cours du procédé 300 de fabrication, comme
illustré sur
la sous-figure a) de la figure 6. La structure métallique 631 est enveloppée
par une
couche extérieure 632 en matériau composite maintenant la pression, comme
illustré
sous la sous-figure b) de la figure 6.
[107] L'enceinte cryogénique 620 du dispositif 600 de compression peut
avantageusement comprendre une pluralité de jambes 621 permettant de maintenir
l'enceinte cryogénique 620 lors de l'élaboration du dispositif 600 de
compression.
[108] Le procédé 700 de fabrication comprend ainsi une première étape 710
d'élaboration du squelette métallique 631 entourant l'enceinte cryogénique 620
qui
peut être positionnée en amont ou insérée lorsque le squelette métallique 631
est
élaboré.
[109] Le squelette 631 de l'enceinte de pression 630 est ensuite enveloppée
par
au moins une bande de fibre de carbone enduite de résine afin de former la
couche
extérieure 632. L'épaisseur de la couche extérieure 632 est configurée pour
résister
aux contraintes mécaniques dues à la pression nominale de 700 à 800 bars. Il
convient
de souligner que tout autre type de matériau composite, répondant aux
contraintes
mécaniques, peut être envisagé par l'homme du métier.
[110] L'enceinte de pression 630 peut ensuite être fermée par le bouchon 650,
au cours d'une troisième étape 730, de manière similaire au procédé 300 de
fabrication, le bouchon 650 ayant été préalablement inséré à l'intérieur du
squelette
631.
[111] Les autres éléments du précédent mode de réalisation sont identiques.
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