FR2980550A1 - Procede de rechauffage d'un liquide cryogenique - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique (1) avec un ciel gazeux (18), dans lequel 1. Ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre (17) du liquide cryogénique.

Description

Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au réchauffage d'un liquide cryogénique, et en particulier au réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir avec un ciel gazeux. Dans certaines applications cryogéniques, en particulier pour des essais techniques et des expériences scientifiques, il peut être souhaité de fournir un liquide cryogénique à une température et une pression précises.
Par exemple, pour les essais de moteurs fusée cryogéniques, et en particulier pour les essais de cavitation de leurs pompes d'alimentation en ergols cryogéniques, on demande de plus en plus souvent la fourniture d'un débit de liquide cryogénique proche de son point de saturation. En effet, afin de restreindre l'épaisseur des parois des réservoirs dans les engins propulsés par de tels moteurs fusée et ainsi limiter leur masse, on tend à diminuer la pression des réservoirs. En conséquence, le liquide alimentant les pompes d'alimentation en tir réel est proche du point de saturation, ce qui augmente la possibilité de phénomènes de cavitation dans les pompes. Pour les essais de cavitation au sol, il est donc souhaitable de fournir le liquide cryogénique à une pression et une température aussi proches que possible des conditions réelles. Or, le liquide cryogénique dans des réservoirs au sol est généralement à une température sensiblement inférieure, et donc plus éloignée du point de saturation.
Afin d'augmenter la température d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir avec un ciel gazeux, c'est-à-dire un réservoir présentant une phase gazeuse au-dessus d'une surface libre du liquide cryogénique, on a notamment essayé d'apporter de l'énergie à celui-ci via un soufflage avec un gaz plus chaud. Ce soufflage était injecté dans le ciel gazeux du réservoir. Toutefois, à cause de la chaleur spécifique très élevée de tels liquides cryogéniques, le temps nécessaire pour chauffer un volume important de liquide cryogénique est normalement très long. En outre, en chauffant le liquide par le haut, on provoque une stratification sensible de la température du liquide, avec des couches plus chaudes à proximité de la surface libre, et des couches plus froides à proximité du fond, là où le liquide sera normalement extrait pour alimenter un banc d'essai. Cette solution s'avère donc généralement insuffisante pour fournir un liquide cryogénique à une température raisonnablement précise et sensiblement plus élevée que la température initiale du liquide cryogénique avant le réchauffage. Par ailleurs, elle ne permet pas d'alimenter une pompe avec une température liquide constante en fonction du temps. Objet et résumé de l'invention L'invention vise à proposer un procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique avec un ciel gazeux qui permette de chauffer le liquide cryogénique de manière plus rapide et homogène.
Dans au moins un mode de réalisation d'un procédé suivant l'invention, ce but est atteint grâce au fait que ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre du liquide cryogénique.
Grâce à ces dispositions, l'échange de chaleur peut s'effectuer sur toute une colonne de liquide, ce qui permet un réchauffage plus homogène, aidé de plus par les courants convectifs à l'intérieur du réservoir. Après une première partie ascendante où les bulles échangent thermiquement avec le liquide, le gaz des bulles peut ensuite en partie se condenser et fournir au liquide l'énergie de sa chaleur latente D'une manière particulièrement simple le gaz injecté peut être une phase gazeuse du liquide cryogénique. Toutefois, d'autres gaz pourraient être utilisés alternativement ou en complément, au moins s'ils sont chimiquement inertes par rapport au liquide cryogénique, ne se solidifient qu'à une température sensiblement plus basse que la température du liquide cryogénique dans le réservoir, de manière à ne pas boucher le point d'injection, et, si on veut pouvoir extraire après le liquide cryogénique avec une certaine pureté, sont immiscibles avec celui-ci.35 De manière avantageuse, on peut procéder à un dégazage au-dessus de la surface libre du liquide cryogénique pendant l'injection de gaz en dessous de cette surface afin de maintenir la pression du ciel gazeux en dessous d'une pression maximale prédéterminée. Cette pression maximale peut être prédéterminée, par exemple, en fonction d'une température à atteindre. En particulier quand l'objet du réchauffage est celui de pouvoir ensuite extraire le liquide cryogénique à une pression et une température proches d'un point de saturation du liquide cryogénique, ce dégazage peut être avantageux pour approcher ce point de saturation, puisque l'injection de gaz provoque normalement une augmentation de la pression dans un réservoir fermé. En outre, une pression trop élevée dans le réservoir pourrait poser d'importants problèmes de sécurité. En particulier, ledit liquide cryogénique peut être de l'hydrogène liquide, puisque sa chaleur spécifique est particulièrement élevée, rendant particulièrement laborieux son réchauffage par d'autres procédés. Toutefois, ce procédé peut bien aussi être envisagé pour d'autres liquides cryogéniques.
De manière particulièrement avantageuse, ledit gaz peut être injecté à travers un point d'extraction du liquide cryogénique, simplifiant ainsi les canalisations associées au réservoir, et évitant le perçage d'orifices supplémentaires dans le réservoir, orifices qui pourraient être négatifs tant pour son isolation thermique que pour sa résistance mécanique.
L'invention se rapporte aussi à une méthode d'essai d'un dispositif cryogénique. Dans au moins un mode de réalisation de cette méthode d'essai, un liquide cryogénique est réchauffé dans un réservoir avec un ciel gazeux par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre du liquide cryogénique, pour ensuite alimenter le dispositif cryogénique pendant au moins un essai du dispositif cryogénique. Il est ainsi possible d'alimenter le dispositif cryogénique avec un liquide cryogénique à une température précise pendant l'essai.
En particulier, ledit dispositif cryogénique peut comporter au moins une pompe de liquide cryogénique, le réchauffage permettant alors d'alimenter cette pompe avec un liquide cryogénique proche de son point de saturation, afin d'effectuer un essai de cavitation de la pompe. De manière particulièrement avantageuse, un débit de gaz peut être injecté dans le ciel gazeux du réservoir cryogénique pendant l'essai pour maintenir la pression du ciel gazeux au-dessus de la pression de saturation du liquide cryogénique. On évite ainsi que, suite à l'extraction de liquide cryogénique du réservoir cryogénique, la pression dans le réservoir cryogénique passe en dessous du point de saturation à la température souhaitée, provoquant une vaporisation de liquide et un refroidissement du liquide restant pendant l'essai. Toutefois, après l'essai, il peut aussi être avantageux de dépressuriser le ciel gazeux du réservoir cryogénique en dessous de la pression de saturation du liquide cryogénique, afin de refroidir le liquide cryogénique pour un essai subséquent, en particulier lorsque le liquide cryogénique doit être fourni à une température moins élevée pour cet essai subséquent.
L'invention se rapporte aussi à une installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique, comprenant au moins un réservoir cryogénique pour un liquide cryogénique à fournir au dispositif cryogénique. Dans au moins un mode de réalisation, ce système comporte aussi un dispositif pour introduire dans le réservoir cryogénique, en dessous d'une surface libre du liquide cryogénique, un gaz plus chaud que le liquide cryogénique, afin de chauffer le liquide cryogénique. Brève description du dessin L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure 1 annexée, illustrant schématiquement une installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique suivant un mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention L'installation d'alimentation 1 suivant le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1 comprend un réservoir cryogénique 1 destiné à recevoir de l'hydrogène liquide 2 pour alimenter un banc d'essai 4 en hydrogène liquide à température et pression contrôlées. Ce banc d'essai 4 peut être destiné, par exemple, à tester la mise à froid et/ou le fonctionnement d'éléments de moteurs fusées cryogéniques, en particulier des pompes d'alimentation de tels moteurs fusées. Il peut aussi être destiné à tester un tel moteur fusée dans son ensemble. Toutefois, l'installation et le procédé de l'invention pourraient aussi être utilisés pour l'essai d'autres types de dispositifs cryogéniques.
Au fond du réservoir cryogénique 1, celui-ci présente un point d'extraction d'hydrogène liquide, sous forme d'une canne d'extraction 3, reliée au banc d'essai 4 à travers une vanne 5. Cette canne d'extraction 3 est toutefois aussi reliée, à travers une autre vanne 6, à un premier réservoir d'hydrogène gazeux 7. A son sommet, le réservoir cryogénique 1 présente aussi un point de pressurisation et dégazage 8 connecté, à travers des vannes correspondantes 9 et 10, à un deuxième et un troisième réservoir d'hydrogène gazeux 11, 12. Le deuxième réservoir d'hydrogène gazeux 11 est destiné à recevoir de l'hydrogène gazeux pressurisé pour la pressurisation du réservoir cryogénique 1. Par contre, le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12 est destiné à recevoir de l'hydrogène gazeux provenant du réservoir cryogénique 1 lors du dégazage de celui-ci. Les vannes 5,6,9 et 10 sont connectées, pour leur commande, à une unité de commande 13, normalement sous forme d'un processeur électronique. Cette unité de commande 13 est aussi connectée à au moins un capteur de température 14 et un capteur de pression 15 à, respectivement, le fond et le sommet du réservoir cryogénique 1, ainsi qu'à un capteur de débit 16 dans le conduit entre le premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 et le réservoir cryogénique 1, et un capteur de niveau 20 dans le réservoir cryogénique 1.
En fonctionnement, l'hydrogène liquide 2 forme une colonne liquide entre le fond du réservoir 1 et une surface libre 17. Au-dessus de cette surface libre 17 et jusqu'à son sommet, le réservoir est occupé par de l'hydrogène gazeux formant un ciel gazeux 18, ce qui permet de réguler la pression à l'intérieur du réservoir cryogénique 1. Initialement, l'hydrogène liquide 2 est à une température To qu'il convient d'augmenter jusqu'à une température T1 pour alimenter le banc d'essai 4 pendant un premier essai. Dans le ciel gazeux 18 règne une pression initiale po,c. La pression initiale po,f au fond du réservoir cryogénique 1 correspond à cette pression initiale Po,c plus celle exercée par la colonne de liquide. La pression po,ri dans le premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 est clairement supérieure à cette pression initiale po ,f au fond du réservoir cryogénique 1.
Pour réchauffer l'hydrogène liquide 2, la vanne 6 est ouverte, et un débit Dri d'hydrogène gazeux est introduit dans le réservoir cryogénique 1 à travers la canne d'extraction 3. Au bout de la canne 3, ce débit Dri forme des bulles 19, d'un diamètre initial d, qui montent à travers la colonne d'hydrogène liquide 2 en échangeant de la chaleur avec celui-ci à travers leur surface. Pour un même débit gazeux, la surface d'échange, et donc la chaleur échangée augmentent avec une taille décroissante des bulles. A titre d'exemple, le tableau 1 montre la quantité d'hydrogène gazeux à température ambiante (293 K) nécessaire pour transmettre 120 MJ de chaleur en ascendant à travers d'une colonne d'hydrogène liquide à 23.2 K de 7 m de haut pour plusieurs diamètre de bulle différents : 35 2 9 80550 7 Diamètre d des bulles [en mm] Masse totale Nombre de Energie d'hydrogène gazeux [en kg] bulles [en transmise par milliers] chaque bulle [en Joules] 10 34 333333 0,36 20 34 40079 2,99 30 46 16160 7,42 40 56 8405 14,28 50 65 5009 23,96 60 73 3252 36,9 70 81 2256 53,19 80 87 1630 73,59 90 93 1220 98,3 100 99 943 127,21 Tableau 1 : Chaleur transmise en fonction de la taille des bulles Cette chaleur transmise par les bulles d'hydrogène gazeux à l'hydrogène liquide 2 correspond à la chaleur spécifique de l'hydrogène 5 gazeux entre sa température initiale au fond du réservoir cryogénique et sa température de condensation, mais aussi à sa chaleur latente de condensation. Ainsi, dans le cas optimal, le débit total Dri d'hydrogène gazeux se condense, et les bulles 19 sont liquéfiées avant d'arriver à la surface libre 17. Toutefois, si la pression initiale po,c n'est pas 10 suffisamment élevée, les bulles 19 vont initialement traverser la colonne d'hydrogène liquide 2 sans atteindre leur point de saturation. Comme la vanne de dégazage 10 est initialement fermée, si le débit Dri d'hydrogène gazeux atteint ainsi le ciel gazeux 18, il fera augmenter la pression du ciel gazeux 18 jusqu'à une pression pi,c à laquelle le gaz des bulles 19 atteint 15 bien son point de saturation avant d'atteindre la surface libre 17. Même à partir de cette pression lpi,c, la pression dans le réservoir cryogénique 1 continuera à monter, quoique de manière sensiblement plus lente, tant que de l'hydrogène gazeux sera injecté à travers la canne 20 3, à cause de la montée du niveau d'hydrogène liquide 2 dans le réservoir cryogénique 1, mais surtout de l'évaporation de cet hydrogène liquide 2 à cause de la chaleur reçue des bulles 19. En même temps, la température de l'hydrogène liquide 2 monte jusqu'à la température de saturation. Ainsi, le réchauffage de l'hydrogène liquide 2 est régi par la température de saturation, et donc la pression. Afin d'éviter une surpression qui puisse endommager le réservoir cryogénique 1, et aussi pour éviter que l'hydrogène liquide 2 dépasse la pression p2,f à laquelle on souhaite l'extraire du réservoir cryogénique 1 pendant le premier essai, on peut procéder à un dégazage contrôlé en ouvrant la vanne de dégazage 10, laissant un débit d'hydrogène gazeux Dr3,1 s'échapper vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12 pour ne pas dépasser une pression p2,c correspondante dans le ciel gazeux 18. Quand la température et la pression souhaitées sont établies dans l'hydrogène liquide 2, on peut fermer les vannes 6 et 10 et procéder au premier essai. Pour alimenter le banc d'essai 4 en hydrogène liquide 2, la vanne 5 est ouverte, de manière à extraire, du fond du réservoir cryogénique, un débit De,i d'hydrogène liquide à la température T2 et pression p2,f. En même temps, pour maintenir cette pression p2,f dans l'hydrogène liquide 2 et la pression p2,c correspondante au ciel gazeux 18, ou pour les augmenter, la vanne 9 peut être ouverte afin de laisser passer un débit volumique équivalent d'hydrogène gazeux du deuxième réservoir d'hydrogène gazeux 11 vers le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique. On maintient ainsi les conditions de l'essai, et on évite surtout que, pendant l'extraction d'hydrogène liquide 2, la pression dans le réservoir cryogénique 1 puisse passer en dessous de la pression de saturation p2,s de l'hydrogène à la température T2, ce qui pourrait faire bouillonner l'hydrogène liquide 2, et donc refroidir l'hydrogène liquide. A la fin de ce premier essai, les vannes 5 et 9 sont à nouveau fermées. Si ensuite on souhaite procéder à un deuxième essai dans lequel l'hydrogène liquide 2 soit fourni à une température moins élevée, on peut procéder à un refroidissement de celui-ci en procédant à un dégazage d'un débit d'hydrogène gazeux Dr3,2 vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12, en ouvrant la vanne de dégazage 10, afin pour passer en dessous de la pression de saturation p3,, de l'hydrogène à la température T3 de l'hydrogène liquide au début de ce refroidissement. La vaporisation de l'hydrogène liquide 2 absorbe une quantité de chaleur équivalente à la chaleur latente de la masse d'hydrogène liquide passant à l'état gazeux, et l'hydrogène liquide 2 restant se refroidit de manière correspondante, pour arriver à une température T4 souhaitée. Ensuite, la pression au ciel gazeux 18 peut être régulée avec les vannes 9 et 10 pour obtenir la pression souhaitée p4,c au ciel gazeux 18, qui sera supérieure à celle correspondant au point de saturation à la température T4. La vanne 5 peut alors être ouverte à nouveau pour alimenter le banc d'essai 3 en hydrogène liquide à la température T4 et la pression p4,f au fond du réservoir cryogénique.
Pendant toutes ces opérations, l'ouverture et la fermeture des vannes 5,6,9 et 10 peut être pilotée par l'unité de commande 13 en fonction d'instructions d'un utilisateur et/ou de mesures transmises par les capteurs 14,15,16 et 20. Il faut ajouter que la pression au fond du réservoir cryogénique 1 peut être estimée sur base de la pression au ciel gazeux 18 et du niveau d'hydrogène liquide, captés respectivement par le capteur de pression 15 et le capteur de niveau 20. Dans un exemple d'une étape de réchauffement d'hydrogène liquide suivant le mode de réalisation décrit, un volume initial de 65,7 m3 d'hydrogène liquide 2, formant une colonne liquide de 7 m de haut dans un réservoir cryogénique 1 de 75 m3, a été réchauffé d'une température Tc, de 20,7 K à une température T2 de 23,2 K en un temps tc de 9000 secondes par injection dans le réservoir cryogénique 1, à travers une canne d'extraction 3 de 4 mm de diamètre, d'un débit constant Dri de 4 g/s d'hydrogène gazeux provenant d'un premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 à température ambiante (environ 293 K) et 0,57 MPa de pression. Pendant ce réchauffement, la pression dans le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique est montée d'une pression initiale po,c de 0,12 MPa à une pression p2,, de 0,29 MPa. Dans un exemple d'une étape de refroidissement d'hydrogène liquide suivant le mode de réalisation décrit, un volume initial de 66,2 m3 d'hydrogène liquide 2, formant une colonne liquide de 7 m de haut dans un réservoir cryogénique 1 de 75 m3, a été refroidi d'une température T3 de 23,2 K à une température T4 de 20,7 K en un temps tf de 5400 s par le dégazage d'un débit d'hydrogène gazeux Dr3,2 de l'ordre de 50 g/s vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12. Pendant ce dégazage, la pression dans le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique descend d'abord d'une pression initiale p3,c de 0,35 MPa à la pression de saturation p3,s de 0,22 MPa de l'hydrogène liquide à la température T3 de 23,2 K. Ensuite, avec la continuation du dégazage, le changement d'état d'une partie de l'hydrogène liquide 2 fait descendre la température de l'hydrogène liquide 2 restant jusqu'à la température T4 de 20,7 K, tandis que la pression dans le ciel gazeux 18 suit la courbe de saturation jusqu'à une pression p4,c de 0,12 MPa. Il reste, à la fin de cette étape de refroidissement, 62,2 m3 d'hydrogène liquide 2 dans le réservoir cryogénique 1. Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien que dans le mode de réalisation décrit le liquide cryogénique soit de l'hydrogène liquide, d'autres liquides cryogéniques peuvent être réchauffés et refroidis de façon contrôlée de la même manière. En outre, le gaz de réchauffage peut être injecté, plutôt qu'à travers une simple canne, à travers un distributeur avec une pluralité d'orifices, afin de diminuer la taille des bulles, et améliorer ainsi d'efficacité de l'échange de chaleur. Des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent bien sûr être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique (1) avec un ciel gazeux (18), caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre (17) du liquide cryogénique.
  2. 2. Procédé de réchauffage suivant la revendication 1, dans lequel le gaz injecté est une phase gazeuse du liquide cryogénique. 10
  3. 3. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on procède à un dégazage au-dessus de la surface libre (17) du liquide cryogénique pendant l'injection de gaz en dessous de cette surface afin d'éviter que la pression au ciel gazeux 15 (18) dépasse une pression maximale prédéterminée.
  4. 4. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz est injecté à travers un point d'extraction du liquide cryogénique. 20
  5. 5. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide cryogénique est de l'hydrogène liquide (2). 25
  6. 6. Méthode d'essai d'un dispositif cryogénique, dans laquelle un liquide cryogénique est réchauffé selon un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, pour ensuite alimenter le dispositif cryogénique pendant au moins un essai dudit dispositif 30 cryogénique.
  7. 7. Méthode d'essai suivant la revendication 6, dans laquelle ledit dispositif cryogénique comporte au moins une pompe de liquide cryogénique. 35
  8. 8. Méthode d'essai suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans laquelle un débit de gaz est injecté dans le ciel gazeux (18) du réservoir cryogénique (1) pendant l'essai pour maintenir la pression du ciel gazeux au-dessus de la pression de saturation du liquide cryogénique.
  9. 9. Méthode d'essai suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle le ciel gazeux (18) du réservoir cryogénique (1) est dépressurisé en dessous de la pression de saturation du liquide cryogénique après l'essai afin de refroidir le liquide cryogénique pour un essai subséquent.
  10. 10. Installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique, comprenant au moins un réservoir cryogénique (1) pour un liquide cryogénique à fournir au dispositif cryogénique et étant caractérisé en ce qu'il comporte aussi un dispositif pour introduire dans le réservoir, en dessous d'une surface libre (17) du liquide cryogénique, un gaz plus chaud que le liquide cryogénique, afin de chauffer le liquide cryogénique.
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