FR2897140A1 - Pressurized gas filling method for e.g. container, involves progressively extracting liquid in container for improving available volume for gas in container, and introducing pressurized gas into container - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un procédé de remplissage d'un conteneur deThe present invention relates to a method for filling a container of
gaz sous pression. L'invention concerne notamment le remplissage rapide de conteneurs ou bouteilles haute pression. L'invention peut concerner en particulier les véhicules utilisant un gaz comme combustible stocké dans des bouteilles haute pression. En effet pour ce type d'application, il est nécessaire de remplir les bouteilles haute pression rapidement. Par ailleurs, les bouteilles utilisées doivent être légères ce qui impose des contraintes sur le type de matériaux utilisés et leur épaisseur. Les bouteilles typiquement utilisées sont des bouteilles de type III (c'est-à-dire comprenant un liner ou enveloppe étanche métallique et un renfort composite) ou de type IV (c'est-à-dire comprenant un liner thermoplastique et un renfort composite). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à cette application et peut être utilisée pour toute autre application et notamment lorsque la rapidité du remplissage est un facteur important. Le remplissage rapide de bouteilles haute pression engendre une augmentation importante de la température du gaz à l'intérieur de la bouteille. En effet, lors du remplissage, la compression du gaz à l'intérieur de la bouteille provoque son échauffement. gas under pressure. The invention particularly relates to the rapid filling of containers or high pressure bottles. The invention may relate in particular to vehicles using a gas as a fuel stored in high pressure bottles. Indeed for this type of application, it is necessary to fill the high-pressure bottles quickly. In addition, the bottles used must be light which imposes constraints on the type of materials used and their thickness. The bottles typically used are type III bottles (that is to say comprising a liner or metal sealed envelope and a composite reinforcement) or type IV (that is to say comprising a thermoplastic liner and a composite reinforcement ). Of course, the invention is not limited to this application and can be used for any other application and especially when the speed of filling is an important factor. The rapid filling of high pressure bottles causes a significant increase in the temperature of the gas inside the bottle. Indeed, during filling, the compression of the gas inside the bottle causes it to overheat.
Cet échauffement pose plusieurs problèmes. Les bouteilles doivent en effet être maintenues en dessous d'une température maximale, donnée par les caractéristiques des matériaux dont elles sont constituées. Par ailleurs, lorsque la température du gaz augmente, la masse stockée dans la bouteille diminue, la pression maximale étant fixée par la limite de résistance de la bouteille. This warm up poses several problems. The bottles must in fact be kept below a maximum temperature, given by the characteristics of the materials of which they are made. On the other hand, as the temperature of the gas increases, the mass stored in the bottle decreases, the maximum pressure being fixed by the resistance limit of the bottle.
De plus, l'évolution de température dans la bouteille au cours du remplissage est difficile à prédire. Elle dépend de nombreux facteurs dont la vitesse de remplissage, la pression initiale dans la bouteille, la température ambiante, la température initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage, la forme et le volume de la bouteille,... In addition, the temperature evolution in the bottle during filling is difficult to predict. It depends on many factors including the filling rate, the initial pressure in the bottle, the ambient temperature, the initial temperature in the bottle, the temperature of the filling gas, the shape and volume of the bottle, etc.
Par ailleurs, la mesure de la température du gaz au cours du remplissage est complexe du fait de plusieurs facteurs dont le nécessaire maintien de l'étanchéité de la bouteille, la présence de gradients thermiques ,... Moreover, the measurement of the gas temperature during filling is complex because of several factors including the necessary maintenance of the tightness of the bottle, the presence of thermal gradients, etc.
Il est donc difficile, lors d'un remplissage, de garantir le respect des limitations en température de la bouteille et de contrôler de la quantité de gaz transféré avec précision. Pour résoudre ces problèmes, diverses solutions ont été envisagées comme par exemple réduire la température du gaz à la fin du remplissage en injectant du gaz froid. Un tel procédé présente cependant des inconvénients notamment en ce qui concerne les limites de résistance de la bouteille aux basses températures et le coût énergétique lié au refroidissement. Une autre solution consiste à remplir les bouteilles avec un débit variable pour réduire l'augmentation de température du gaz. Cependant la réduction de température obtenue n'est pas toujours suffisante. La pression de service Ps du conteneur est définie comme la pression nominale d'utilisation en conditions standard. La pression de consigne Pc du conteneur est définie comme la pression à atteindre à la fin du remplissage et qui tient compte des conditions de remplissage (pression initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage et la vitesse de remplissage,....) et des conditions extérieures (température ambiante,...). Un but de l'invention est de proposer une solution palliant tout ou partie des 20 inconvénients de l'art antérieur. Ce but est atteint par le fait que le procédé de remplissage d'un conteneur de gaz sous pression, par ailleurs conforme au préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte : - une étape préliminaire d'introduction d'un volume déterminé de liquide 25 dans le conteneur, - une étape de soutirage progressif du liquide contenu dans le conteneur de façon à augmenter le volume disponible pour du gaz dans le conteneur, et - une étape d'introduction progressive de gaz sous pression dans le conteneur. 30 Par ailleurs, l'invention peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape préliminaire est précédée d'une phase de soutirage du gaz contenu dans la bouteille, - les étapes d'introduction du liquide et de soutirage de gaz sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés, - les étapes de soutirage du liquide et d'introduction de gaz sous pression sont réalisées à des instants au moins proches et de préférence au moins en partie simultanés, - le volume déterminé de liquide introduit lors de l'étape préliminaire est choisi de façon à atteindre une pression déterminée de gaz dans le volume disponible du conteneur, - la pression du gaz dans le volume disponible du conteneur est proche de la pression de service du conteneur, - la pression du gaz dans le volume disponible du conteneur est proche de la pression de consigne du conteneur, - la pression de consigne du conteneur est calculée en fonction de la pression de service en tenant compte des conditions de remplissage telles que la pression initiale dans la bouteille, la température du gaz de remplissage, la vitesse de remplissage et des conditions extérieures telles que la température ambiante, - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée, - les étapes d'introduction et de soutirage du liquide sont réalisées dans une enveloppe déformable disposée dans le conteneur, - le gaz introduit dans le conteneur est prélevé d'un réservoir de stockage, le liquide introduit dans le conteneur étant prélevé d'un réseau et/ou du même réservoir de stockage, - le liquide soutiré lors de l'étape de soutirage est introduit dans le réservoir 25 de stockage, - les étapes d'introduction et de soutirage de liquide sont réalisées via un premier orifice du conteneur et en ce que l'étape d'introduction de gaz sous pression est réalisée via un second orifice du conteneur, les premier et second orifices étant distincts ou identiques, 30 - la ligne d'alimentation en gaz est maintenue à la pression de service Ps, - la ligne d'alimentation en gaz est maintenue à la pression de consigne Pc, - la pression Ps de service est comprise entre 20 et 1000 bar et de préférence entre 200 et 1000 bar, - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée de préférence proche de la pression de service Ps ; - le soutirage du liquide contenu dans le conteneur est piloté de façon à maintenir la pression du gaz dans le volume disponible à une valeur déterminée de préférence proche de la pression de consigne Pc ; - le gaz comprend l'un au moins des constituants suivants : de l'hydrogène, du gaz naturel, méthane, et en ce que le liquide comprend au moins l'un des constituants suivants : de l'eau, de l'eau glycolée, de l'huile. It is therefore difficult, during a filling, to ensure compliance with the temperature limitations of the bottle and to control the amount of gas transferred accurately. To solve these problems, various solutions have been envisaged such as for example reducing the temperature of the gas at the end of filling by injecting cold gas. However, such a method has drawbacks in particular as regards the limits of resistance of the bottle at low temperatures and the energy cost associated with cooling. Another solution is to fill the bottles with a variable flow rate to reduce the temperature increase of the gas. However, the temperature reduction obtained is not always sufficient. The service pressure Ps of the container is defined as the nominal working pressure under standard conditions. The set pressure Pc of the container is defined as the pressure to be reached at the end of the filling and which takes into account the filling conditions (initial pressure in the bottle, the temperature of the filling gas and the filling speed, .... ) and external conditions (ambient temperature, ...). An object of the invention is to propose a solution that overcomes all or part of the disadvantages of the prior art. This object is achieved by the fact that the method for filling a pressurized gas container, which is also in accordance with the preamble above, is essentially characterized in that it comprises: a preliminary step of introducing a a determined volume of liquid in the container; a step of progressively withdrawing the liquid contained in the container so as to increase the volume available for gas in the container; and a step of gradually introducing pressurized gas into the container. . Furthermore, the invention may comprise one or more of the following characteristics: the preliminary step is preceded by a phase of withdrawal of the gas contained in the bottle; the stages of introduction of the liquid and withdrawal of the liquid; gas are produced at times at least close and preferably at least partly simultaneous, the stages of withdrawal of the liquid and introduction of gas under pressure are carried out at times at least close and preferably at least partly simultaneous, the determined volume of liquid introduced during the preliminary stage is chosen so as to reach a determined pressure of gas in the available volume of the container, the pressure of the gas in the available volume of the container is close to the operating pressure of the container; container, - the pressure of the gas in the available volume of the container is close to the set pressure of the container, - the set pressure of the container is calculated in depending on the operating pressure taking into account filling conditions such as the initial pressure in the cylinder, the temperature of the filling gas, the filling rate and external conditions such as the ambient temperature, - the withdrawal of the liquid contained in the container is controlled so as to maintain the pressure of the gas in the available volume to a determined value, - the liquid introduction and withdrawal steps are performed in a deformable envelope disposed in the container, - the gas introduced into the container is taken from a storage tank, the liquid introduced into the container being taken from a network and / or the same storage tank, the liquid withdrawn during the withdrawal stage is introduced into the storage tank 25, the liquid introduction and withdrawal steps are carried out via a first orifice of the container and in that the ga introduction step z under pressure is achieved via a second port of the container, the first and second ports being separate or identical, - the gas supply line is maintained at the operating pressure Ps, - the gas supply line is maintained at the set pressure Pc, the operating pressure Ps is between 20 and 1000 bar and preferably between 200 and 1000 bar, the withdrawal of the liquid contained in the container is controlled so as to maintain the pressure of the gas in the volume available at a determined value preferably close to the operating pressure Ps; the withdrawal of the liquid contained in the container is controlled so as to maintain the pressure of the gas in the available volume at a determined value preferably close to the reference pressure Pc; the gas comprises at least one of the following constituents: hydrogen, natural gas, methane, and in that the liquid comprises at least one of the following constituents: water, brine , oil.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, dans lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement la structure et le fonctionnement d'un système de remplissage selon l'invention lors d'une première phase de remplissage, - la figure 2 représente le système de remplissage de la figure 1 lors d'une seconde phase de remplissage, - la figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation du système de remplissage selon l'invention, - la figure 4 représente schématiquement une autre variante de réalisation du système de remplissage selon l'invention incluant une source comportant un réservoir de stockage. L'invention propose de remplir un réservoir ou une bouteille à une pression sensiblement constante en faisant varier le volume libre pour du gaz dans la bouteille. Cette variation de volume peut être réalisée à l'aide d'une phase liquide (par exemple de l'eau) qui est introduite avant le remplissage du gaz et évacuée au fur et à mesure du remplissage. Ce procédé diminue ou élimine la compression du gaz injecté dans la bouteille qui est la principale cause de l'augmentation de la température. Il devient alors possible de remplir une bouteille de gaz à haute pression plus rapidement, le temps de remplissage n'étant plus limité par le contrôle de la montée en température de la bouteille, mais par les débits qu'il est possible de faire passer dans la bouteille En se référant à présent aux figures 1 et 2, le procédé selon l'invention comporte principalement deux phases. Dans une première phase (figure 1), la bouteille 1 est remplie avec une phase liquide (par exemple un volume VL d'eau). Si nécessaire, avant et/ou pendant la première phase de remplissage du conteneur avec du liquide, il peut être avantageux de vider au moins une partie du premier gaz précédemment contenu dans la bouteille. Le premier gaz précédemment contenu dans la bouteille peut être identique ou différent du gaz qui sera introduit lors du remplissage. De préférence, le liquide L est introduit dans la bouteille 1 jusqu'à ce que la pression du volume VG de gaz dans la bouteille atteigne la pression Pc de consigne de la bouteille 1 (figure 2). Lors d'une seconde phase, le gaz G est introduit dans la bouteille 1 à la pression de consigne Pc. A cet effet, un système 2 d'alimentation en phase liquide et un système 3 d'alimentation en gaz sont connectés à la bouteille 1. Other characteristics and advantages of the invention will appear better on reading the description below, made with reference to the figures, in which: FIG. 1 schematically represents the structure and operation of a filling system according to FIG. invention during a first filling phase, - Figure 2 shows the filling system of Figure 1 in a second filling phase, - Figure 3 shows schematically an alternative embodiment of the filling system according to the FIG. 4 diagrammatically represents another alternative embodiment of the filling system according to the invention, including a source comprising a storage tank. The invention proposes to fill a tank or a bottle at a substantially constant pressure by varying the free volume for gas in the bottle. This variation in volume can be achieved using a liquid phase (for example water) which is introduced before filling the gas and discharged as filling. This process decreases or eliminates the compression of the gas injected into the bottle which is the main cause of the increase in temperature. It then becomes possible to fill a bottle of high-pressure gas more rapidly, the filling time being no longer limited by the control of the rise in temperature of the bottle, but by the flow rates that can be passed through. Bottle Referring now to Figures 1 and 2, the process according to the invention mainly comprises two phases. In a first phase (FIG. 1), the bottle 1 is filled with a liquid phase (for example a volume VL of water). If necessary, before and / or during the first phase of filling the container with liquid, it may be advantageous to empty at least a portion of the first gas previously contained in the bottle. The first gas previously contained in the bottle may be the same or different from the gas that will be introduced during filling. Preferably, the liquid L is introduced into the bottle 1 until the pressure of the volume VG of gas in the bottle reaches the target pressure Pc of the bottle 1 (FIG. 2). In a second phase, the gas G is introduced into the bottle 1 at the set pressure Pc. For this purpose, a liquid phase supply system 2 and a gas supply system 3 are connected to the bottle 1.
Lors de la seconde phase, le liquide L est évacué au fur et à mesure du remplissage avec le gaz G, de sorte que la pression PG de gaz dans la bouteille est maintenue sensiblement constante et proche de la pression de consigne Pc de remplissage. Le débit volumique de liquide sortant est de préférence égal au débit volumique du gaz entrant. During the second phase, the liquid L is evacuated as filling with the gas G, so that the gas pressure PG in the bottle is kept substantially constant and close to the filling setpoint pressure Pc. The volume flow rate of the outgoing liquid is preferably equal to the volume flow rate of the incoming gas.
Comme représenté, les alimentations et soutirage de liquide L et de gaz G peuvent être réalisées via un même orifice. Bien entendu, si la bouteille possède plusieurs entrées distinctes, l'alimentation en liquide et en gaz peuvent être réalisées par des entrées distinctes (cf. figure 3). Dans la variante de réalisation de la figure 3, une enveloppe déformable et de préférence imperméable est disposée dans la bouteille 1. L'enveloppe 4 est connectée au système 2 d'alimentation liquide. De cette façon, l'enveloppe 4 permet d'assurer le même remplissage que celui décrit précédemment, tout en évitant les contacts entre la bouteille 1 et le liquide L ainsi que la pollution du gaz G par le liquide L. Cette variante peut être réalisée via une ou plusieurs entrées dans la bouteille 1. Il faut noter que pendant la phase de remplissage en liquide L, le gaz résiduel G dans la bouteille 1 est comprimé. Cependant, l'augmentation de température induite par cette compression est relativement faible car soit la masse de gaz résiduelle est relativement faible et donc la chaleur générée est faible, soit la pression résiduelle de gaz est déjà élevée et donc la chaleur produite par compression est faible. De plus, le liquide introduit dans la bouteille grâce à sa capacité thermique élevée peut absorber une partie importante de la chaleur produite par la compression du gaz résiduel. Toutefois, pour éviter toute augmentation de température pendant cette phase d'introduction de liquide L, il est possible de vider la bouteille du gaz résiduel. La figure 4 illustre de façon plus détaillée un exemple de système de remplissage selon l'invention. Les éléments identiques à ceux décrits ci-dessus sont désignés par les mêmes références numériques et ne sont pas décrits une seconde fois en détail. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, le remplissage du conteneur ou bouteille 1 est réalisé à partir d'un réservoir source 5. C'est à dire que le système 3 d'alimentation en gaz connecté à la bouteille 1 est approvisionné par le réservoir 5 source de stockage. Le système 2 d'alimentation en phase liquide est relié à un réseau R de liquide comprenant une première pompe 6. La ligne d'alimentation en liquide du système 2 d'alimentation est également reliée au réservoir 5 de stockage via une vanne 8 et une seconde pompe 7. As shown, the liquid L and G gas feeds and withdrawals can be made via the same orifice. Of course, if the bottle has several separate inputs, the supply of liquid and gas can be achieved by separate inputs (see Figure 3). In the embodiment of Figure 3, a deformable envelope and preferably impervious is disposed in the bottle 1. The envelope 4 is connected to the liquid supply system 2. In this way, the casing 4 makes it possible to ensure the same filling as that described previously, while avoiding the contacts between the bottle 1 and the liquid L as well as the pollution of the gas G by the liquid L. This variant can be realized via one or more entries in the bottle 1. It should be noted that during the liquid filling phase L, the residual gas G in the bottle 1 is compressed. However, the temperature increase induced by this compression is relatively low because either the mass of residual gas is relatively small and therefore the heat generated is low, or the residual pressure of gas is already high and therefore the heat produced by compression is low . In addition, the liquid introduced into the bottle due to its high heat capacity can absorb a significant portion of the heat produced by the compression of the residual gas. However, to avoid any increase in temperature during this liquid introduction phase L, it is possible to empty the bottle of the residual gas. Figure 4 illustrates in more detail an example of a filling system according to the invention. The elements identical to those described above are designated by the same reference numerals and are not described a second time in detail. In the embodiment of Figure 4, the filling of the container or bottle 1 is made from a source tank 5. That is to say that the gas supply system 3 connected to the bottle 1 is supplied by the reservoir 5 storage source. The liquid phase supply system 2 is connected to a network R of liquid comprising a first pump 6. The liquid supply line of the supply system 2 is also connected to the storage tank 5 via a valve 8 and a second pump 7.
Comme précédemment, le remplissage peut comporter deux phases. Dans une première phase - la vanne 8 sur la branche reliant la ligne d'alimentation liquide au réservoir 5 de stockage est fermée - la vanne 9 sur la ligne d'alimentation en gaz est fermée, - la vanne 10 sur la branche reliant le réservoir 5 de stockage au réseau R est fermée, et - la vanne 11 sur la branche connectant la bouteille 1 au réseau liquide R (comportant la première pompe 6) est ouverte. De cette façon, la bouteille 1 est remplie avec du liquide L du réseau R au 30 moyen de la première pompe 6 haute pression jusqu'à ce que la pression du gaz dans la bouteille 1 atteigne la pression de consigne Pc. Dans une seconde phase : - la vanne 11 sur la branche connectant la bouteille 1 au réseau liquide R est fermée, - la vanne 10 sur la branche reliant le réservoir 5 de stockage au réseau R est fermée, - la vanne 9 sur la ligne d'alimentation en gaz est ouverte et -la vanne 8 sur la branche reliant la ligne d'alimentation liquide au réservoir 5 de stockage est ouverte. De cette façon, la bouteille 1 est remplie avec du gaz G à partir du réservoir 5 de stockage et le liquide L est évacué de la bouteille 1 vers l'intérieur du réservoir 5 de stockage au moyen de la seconde pompe 7. Le remplissage de gaz et le soutirage de liquide sont contrôlés de sorte que la pression dans la bouteille 1 reste proche de la pression de consigne. Lorsque le réservoir 5 de stockage ne contient plus de gaz G, le liquide L est vidangé vers le réseau R à travers la vanne 10. As before, the filling may comprise two phases. In a first phase - the valve 8 on the branch connecting the liquid supply line to the storage tank 5 is closed - the valve 9 on the gas supply line is closed, - the valve 10 on the branch connecting the reservoir 5 is stored in the network R is closed, and - the valve 11 on the branch connecting the bottle 1 to the liquid network R (comprising the first pump 6) is open. In this way, the bottle 1 is filled with liquid L of the network R by means of the first high pressure pump 6 until the pressure of the gas in the cylinder 1 reaches the set pressure Pc. In a second phase: - the valve 11 on the branch connecting the bottle 1 to the liquid network R is closed, - the valve 10 on the branch connecting the storage tank 5 to the network R is closed, - the valve 9 on the line D The gas supply is open and the valve 8 on the branch connecting the liquid supply line to the storage tank 5 is open. In this way, the bottle 1 is filled with gas G from the storage tank 5 and the liquid L is discharged from the bottle 1 into the storage tank 5 by means of the second pump 7. gas and the liquid withdrawal are controlled so that the pressure in the bottle 1 remains close to the set pressure. When the storage tank 5 no longer contains G gas, the liquid L is drained to the network R through the valve 10.
Ce procédé présente de nombreux avantages. Ainsi, la température dans la bouteille 1 augmente peu comme expliqué auparavant. Par ailleurs, la pression dans le réservoir 5 de stockage reste sensiblement constante ce qui permet une optimisation de l'utilisation de la masse de gaz stockée dans ce réservoir 5. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple ci-dessus. Ainsi, par exemple, si le réservoir de stockage 5 est située en dessous de la bouteille 1 à remplir (par exemple enterré) il est possible de s'affranchir de la seconde pompe 7. Dans ce cas, il est préférable que l'injection du liquide dans le réservoir 5 de stockage s'effectue par le haut et que le débit de liquide entre les deux contenants 1 et 5 soit contrôlé par une vanne de régulation. Le débit maximal pourra être limité par la différence de niveau des deux réservoirs 1 et 5. This method has many advantages. Thus, the temperature in the bottle 1 increases little as previously explained. Furthermore, the pressure in the storage tank 5 remains substantially constant which allows an optimization of the use of the mass of gas stored in this tank 5. Of course, the invention is not limited to the example herein. -above. Thus, for example, if the storage tank 5 is located below the bottle 1 to be filled (for example buried) it is possible to dispense with the second pump 7. In this case, it is preferable that the injection liquid in the storage tank 5 is made from above and that the liquid flow between the two containers 1 and 5 is controlled by a control valve. The maximum flow rate may be limited by the difference in level of the two reservoirs 1 and 5.
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