CA2557948A1 - Systeme de pompage d'un fluide cryogenique - Google Patents
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Abstract
Système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant au moins un réservoir (8a,8b) de fluide cryogénique, une pompe (18) cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée et une ligne (23a,23b) d'aspiration reliant ledit réservoir (8a,8b) à ladite pompe (18). Selon l'invention, ledit système de pompage comprend des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne (23a,23b) d'aspiration au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique (18). Application au pompage de fluides cryogéniques peu denses.
Description
SYSTEME DE POMPAGE D'UN FLUIDE CRYOGENIQUE
La présente invention concerne un système de pompage d'un fluide cryogénique.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du pompage de fluides cryogéniques peu denses, tels que s l'hydrogène et l'hélium, ainsi que leurs isotopes.
Pour comprimer de l'hydrogène, par exemple, on préfère, d'une manière générale, effectuer une compression par pompage de l'hydrogène liquide que de l'hydrogène gazeux, étant donné qu'il est plus facile de comprimer un volume de liquide qu'un volume de gaz, ce qui conduit par là
1o même à une diminution des coûts de compression.
Toutefois, la génération d'hydrogène sous haute pression reste extrêmement coûteuse en terme d'énergie de compression. Les pertes par évaporation d'hydrogène liquide dans une pompe cryogénique peuvent aussi ëtre importantes dans le cas où la pompe n'est pas utilisée de façon optimale.
is La réduction de ces pertes est un point essentiel pour optimiser les coûts d'obtention d'hydrogène sous haute pression.
Un des problèmes posés par les pompes cryogéniques en général, et les pompes d'hydrogène liquide en particulier, réside dans le fait que les fluides cryogéniques sont très peu denses, 70 g/1 à 1 bar pour l'hydrogène par 2o exemple. Cette densité très faible a pour conséquence d'entrainer un certain nombre d'inconvénients - d'une part, il est impossible de fournir à la pompe cryogénique la compensation de perte de charge d'entrés requise (appelée NPSH pour « Net Positive Suction Head ») par une simple installation physique du réservoir 2s cryogénique source en charge sur le système de pompage. Par exemple, une pompe d'hydrogène liquide LH2 700 bar a un NPSH d'environ 250 mbar, ce qui correspond à une hauteur d'hydrogène liquide de 35 m. On comprend alors qu'il n'est pas possible de faire fonctionner la pompe avec un réservoir source installé en charge sur la pompe à une hauteur de 35 m ; les pertes de 3o charge en ligne compenseraient en effet l'installation en charge du réservoir.
- d'autre part, l'hydrogène liquide saturé à basse pression est plus dense que l'hydrogène liquide saturé à haute pression. Par exemple, la densité de l'hydrogène saturé est, on l'a vu, de 70 g/1 à 1 bar, mais elle n'est FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)
La présente invention concerne un système de pompage d'un fluide cryogénique.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du pompage de fluides cryogéniques peu denses, tels que s l'hydrogène et l'hélium, ainsi que leurs isotopes.
Pour comprimer de l'hydrogène, par exemple, on préfère, d'une manière générale, effectuer une compression par pompage de l'hydrogène liquide que de l'hydrogène gazeux, étant donné qu'il est plus facile de comprimer un volume de liquide qu'un volume de gaz, ce qui conduit par là
1o même à une diminution des coûts de compression.
Toutefois, la génération d'hydrogène sous haute pression reste extrêmement coûteuse en terme d'énergie de compression. Les pertes par évaporation d'hydrogène liquide dans une pompe cryogénique peuvent aussi ëtre importantes dans le cas où la pompe n'est pas utilisée de façon optimale.
is La réduction de ces pertes est un point essentiel pour optimiser les coûts d'obtention d'hydrogène sous haute pression.
Un des problèmes posés par les pompes cryogéniques en général, et les pompes d'hydrogène liquide en particulier, réside dans le fait que les fluides cryogéniques sont très peu denses, 70 g/1 à 1 bar pour l'hydrogène par 2o exemple. Cette densité très faible a pour conséquence d'entrainer un certain nombre d'inconvénients - d'une part, il est impossible de fournir à la pompe cryogénique la compensation de perte de charge d'entrés requise (appelée NPSH pour « Net Positive Suction Head ») par une simple installation physique du réservoir 2s cryogénique source en charge sur le système de pompage. Par exemple, une pompe d'hydrogène liquide LH2 700 bar a un NPSH d'environ 250 mbar, ce qui correspond à une hauteur d'hydrogène liquide de 35 m. On comprend alors qu'il n'est pas possible de faire fonctionner la pompe avec un réservoir source installé en charge sur la pompe à une hauteur de 35 m ; les pertes de 3o charge en ligne compenseraient en effet l'installation en charge du réservoir.
- d'autre part, l'hydrogène liquide saturé à basse pression est plus dense que l'hydrogène liquide saturé à haute pression. Par exemple, la densité de l'hydrogène saturé est, on l'a vu, de 70 g/1 à 1 bar, mais elle n'est FEUILLE DE REMPLACEMENT (REGLE 26)
2 plus que de 56 gll à 7 bar. Sachant pue les pompes cryogéniques sont des s pompes volumétriques, on en conclut qu'afin d'augmenter les quantités de fluide cryogénique pompé il y a intérét à rendre le fluide le plus dense possible, donc à l'aspirer par la pompe à une pression la plus basse possible.
Le document EP A-010464, au nom de la Demanderesse, décrit des moyens de surveillance de séquence de démarrage de pompage de fluide io cryogénique relativement dense (azote liquide).
Aussi, un problème technique à résoudre par (objet de la présente invention est de proposer un système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant un réservoir de fluide cryogénique, une pompe cryogénique présentant une perte de charge d'entrée et une ligne d'aspiration reliant ledit ~s réservoir à ladite pompe, qui permettrait de remédier aux inconvénients liés à
la faible densitë des fluides cryogéniques en terme de compensation de la perte de charge d'entrée des pompes cryogéniques et de quantités de fluide cryogénique aspiré.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente 2o invention, en ce que ledit système de pompage comprend des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne d'aspirâtion au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe cryogénique.
On obtient de cette manière un sous-refroidissement du fluide 2s cryogénique et une aspiration du fluide ainsi sous-refroidi. La compensation de perte de charge d'entrée est ainsi réalisée, évitant tout phénomène de cavitation, tandis que le fluide est maintenu à une pression suffisamment faible pour rendre maximum la densité du fluide et donc la quantité pompée, ceci contrairement aux systèmes existants pour lesquels aucun contrôle n'est 3o effectué sur la pression d'aspiration, le réservoir étant pressurisé une fois pour toutes et la pression toujours supérieure au minimum théorique pour obtenir une densité optimale.
2 -a-Selon un mode de réalisation du système de pompage, objet de l'invention, lesdits moyens de contrôle de pression comprennent une vanne de s pressurisation et une vanne de dépressurisation du réservoir de fluide cryogénique.
Plus spécialement, l'invention prévoit que lesdits moyens de contrôle comprennent un capteur de pression et un capteur de température du fluide
Le document EP A-010464, au nom de la Demanderesse, décrit des moyens de surveillance de séquence de démarrage de pompage de fluide io cryogénique relativement dense (azote liquide).
Aussi, un problème technique à résoudre par (objet de la présente invention est de proposer un système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant un réservoir de fluide cryogénique, une pompe cryogénique présentant une perte de charge d'entrée et une ligne d'aspiration reliant ledit ~s réservoir à ladite pompe, qui permettrait de remédier aux inconvénients liés à
la faible densitë des fluides cryogéniques en terme de compensation de la perte de charge d'entrée des pompes cryogéniques et de quantités de fluide cryogénique aspiré.
La solution au problème technique posé consiste, selon la présente 2o invention, en ce que ledit système de pompage comprend des moyens de contrôle de pression aptes à maintenir la pression dans la ligne d'aspirâtion au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe cryogénique.
On obtient de cette manière un sous-refroidissement du fluide 2s cryogénique et une aspiration du fluide ainsi sous-refroidi. La compensation de perte de charge d'entrée est ainsi réalisée, évitant tout phénomène de cavitation, tandis que le fluide est maintenu à une pression suffisamment faible pour rendre maximum la densité du fluide et donc la quantité pompée, ceci contrairement aux systèmes existants pour lesquels aucun contrôle n'est 3o effectué sur la pression d'aspiration, le réservoir étant pressurisé une fois pour toutes et la pression toujours supérieure au minimum théorique pour obtenir une densité optimale.
2 -a-Selon un mode de réalisation du système de pompage, objet de l'invention, lesdits moyens de contrôle de pression comprennent une vanne de s pressurisation et une vanne de dépressurisation du réservoir de fluide cryogénique.
Plus spécialement, l'invention prévoit que lesdits moyens de contrôle comprennent un capteur de pression et un capteur de température du fluide
3 cryogénique dans la ligne d'aspiration, reliés à un bloc de contrôle apte à
commander lesdites vannes de pressurisation et de dépressurisation.
Dans ce dernier cas, il est envisagé par l'invention que lesdits moyens de contrôle comprennent un bloc de calcul apte à calculer à partir de la s température mesurée par ledit capteur de température une valeur minimale de la pression mesurée par ledit capteur de pression égale à la pression de saturation du liquide à ladite température augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe.
Un autre problème technique que se propose de résoudre l'invention 1o concerne la possibilité de réaliser un fonctionnement en continu du système de pompage conforme à l'invention, les systèmes connus ne permettant pas un tel fonctionnement puisque la pompe doit étre arrétée à chaque fois que le réservoir est vide afin de le remplir et le mettre en pression avant de redémarrer la pompe.
is La solution à ce problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système comprend une pluralité de réservoirs de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre 2o d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 est un schéma d'un système de pompage d'un fluide cryogénique conforme à l'invention.
Sur la figure 1 est représenté un système de pompage d'un fluide 2s cryogénique, comprenant essentiellement deux réservoirs cryogéniques Sa, 8b montés en parallèle sur une méme pompe 18 de fluide cryogénique liquide, chaque réservoir 8a, 8b étant reliés à ladite pompe 18 par une ligne 23a, 23b d'aspiration respective.
De l'hydrogène liquide saturé avec sa vapeur provenant d'une source 1 3o est introduit dans une ligne 2 isolée sous vide du système de pompage par l'intermédiaire d'une vanne 3 d'isolement de la source 1. Ce liquide est utilisé
pour remplir successivement les réservoirs 8a, 8b, selon un mode de fonctionnement en continu qui sera détaillé plus loin dans la description.
commander lesdites vannes de pressurisation et de dépressurisation.
Dans ce dernier cas, il est envisagé par l'invention que lesdits moyens de contrôle comprennent un bloc de calcul apte à calculer à partir de la s température mesurée par ledit capteur de température une valeur minimale de la pression mesurée par ledit capteur de pression égale à la pression de saturation du liquide à ladite température augmentée de la perte de charge d'entrée de la pompe.
Un autre problème technique que se propose de résoudre l'invention 1o concerne la possibilité de réaliser un fonctionnement en continu du système de pompage conforme à l'invention, les systèmes connus ne permettant pas un tel fonctionnement puisque la pompe doit étre arrétée à chaque fois que le réservoir est vide afin de le remplir et le mettre en pression avant de redémarrer la pompe.
is La solution à ce problème technique consiste, selon la présente invention, en ce que ledit système comprend une pluralité de réservoirs de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir.
La description qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre 2o d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
La figure 1 est un schéma d'un système de pompage d'un fluide cryogénique conforme à l'invention.
Sur la figure 1 est représenté un système de pompage d'un fluide 2s cryogénique, comprenant essentiellement deux réservoirs cryogéniques Sa, 8b montés en parallèle sur une méme pompe 18 de fluide cryogénique liquide, chaque réservoir 8a, 8b étant reliés à ladite pompe 18 par une ligne 23a, 23b d'aspiration respective.
De l'hydrogène liquide saturé avec sa vapeur provenant d'une source 1 3o est introduit dans une ligne 2 isolée sous vide du système de pompage par l'intermédiaire d'une vanne 3 d'isolement de la source 1. Ce liquide est utilisé
pour remplir successivement les réservoirs 8a, 8b, selon un mode de fonctionnement en continu qui sera détaillé plus loin dans la description.
4 Dans un premier temps, on supposera que le réservoir cryogénique 8a est rempli. La vanne 4a de remplissage du réservoir 8a est alors fermée, les vannes 10a de purge et 11a de retour bypass du réservoir 8a sont ouvertes, tandis que les vannes 1 Ob de purge et 11 b de retour bypass du réservoir Sb s sont fermées. La pompe cryogénique 18 est en fonctionnement, la pression 19 de refoulement étant contrôlée par une vanne 21 de régulation du fluide haute pression située après un échangeur 20 apte à vaporiser du fluide haute pression.
La pression d'aspiration de la pompe mesurée par un capteur 14 de io pression est contrôlée par des moyens de contrôle de façon à ce que la température mesurée dans la ligne 23a par un capteur 16 de température soit inférieure à la température de saturation du liquide cryogénique correspondant à cette pression. Plus précisément, les moyens de contrôle comprennent un bloc 17 de calcul de la valeur minimale de la pression 14 sur 1s la ligne 23a d'aspiration telle que cette pression soit égale à la pression de saturation du liquide à la température 16 augmentée de la perte de charge d'entrée NPSH de la pompe 18.
Afin de maintenir la pression mesurée par le capteur 14 à la valeur de consigne déterminée par le bloc 17 de calcul, un bloc 15 de contrôle , _ u 2o commande l'ouverture ou la fermeture d'une vanne 12a de pressurisation ou d'une vanne 7a de dépressurisation du réservoir 8a, le sélecteur 13 étant en position « A » puisque le réservoir 8a en cours de pompage est à ce moment le réservoir 8a.
On observera sur la figure 1 que la pressurisation du réservoir 8a, de 2s méme que celle du réservoir 8b, est réalisée au moyen d'une source 22 de gaz sous pression. Avantageusement, le gaz de pressurisation de la source 22 de gaz sous pression est une partie du fluide pressurisé par la pompe 18.
II résulte de ce qui précède que la pompe 18 est efficacement protégée contre la cavitation et qu'en méme temps le fluide pompé est le plus dense 3o possible, conformément au but recherché par l'invention.
Entre temps, le deuxième réservoir 8b est rempli de fluide liquide saturé avec sa vapeur.
Lorsque le réservoir 8a est vide, le détecteur 9a de niveau bas devient actif et le système ferme la vanne 4b puis ouvre les vannes 10b de purge et 11 b de retour bypass du réservoir 8b. Les vannes 10a et 11a sont fermées et le réservoir 8a est rempli via la vanne 4a de remplissage, tandis que la s séquence de pompage et de contrôle de la pression du réservoir 8b commence.
On obtient ainsi une production en continu de fluide cryogénique sous pression.
io
La pression d'aspiration de la pompe mesurée par un capteur 14 de io pression est contrôlée par des moyens de contrôle de façon à ce que la température mesurée dans la ligne 23a par un capteur 16 de température soit inférieure à la température de saturation du liquide cryogénique correspondant à cette pression. Plus précisément, les moyens de contrôle comprennent un bloc 17 de calcul de la valeur minimale de la pression 14 sur 1s la ligne 23a d'aspiration telle que cette pression soit égale à la pression de saturation du liquide à la température 16 augmentée de la perte de charge d'entrée NPSH de la pompe 18.
Afin de maintenir la pression mesurée par le capteur 14 à la valeur de consigne déterminée par le bloc 17 de calcul, un bloc 15 de contrôle , _ u 2o commande l'ouverture ou la fermeture d'une vanne 12a de pressurisation ou d'une vanne 7a de dépressurisation du réservoir 8a, le sélecteur 13 étant en position « A » puisque le réservoir 8a en cours de pompage est à ce moment le réservoir 8a.
On observera sur la figure 1 que la pressurisation du réservoir 8a, de 2s méme que celle du réservoir 8b, est réalisée au moyen d'une source 22 de gaz sous pression. Avantageusement, le gaz de pressurisation de la source 22 de gaz sous pression est une partie du fluide pressurisé par la pompe 18.
II résulte de ce qui précède que la pompe 18 est efficacement protégée contre la cavitation et qu'en méme temps le fluide pompé est le plus dense 3o possible, conformément au but recherché par l'invention.
Entre temps, le deuxième réservoir 8b est rempli de fluide liquide saturé avec sa vapeur.
Lorsque le réservoir 8a est vide, le détecteur 9a de niveau bas devient actif et le système ferme la vanne 4b puis ouvre les vannes 10b de purge et 11 b de retour bypass du réservoir 8b. Les vannes 10a et 11a sont fermées et le réservoir 8a est rempli via la vanne 4a de remplissage, tandis que la s séquence de pompage et de contrôle de la pression du réservoir 8b commence.
On obtient ainsi une production en continu de fluide cryogénique sous pression.
io
Claims (10)
1. Système de pompage d'un fluide cryogénique, comprenant au moins un réservoir (8a,8b) de fluide cryogénique, une pompe (18) cryogénique présentant une perte (NPSH) de charge d'entrée et une ligne (23a,23b) d'aspiration reliant ledit réservoir (8a,8b) à ladite pompe (18), caractérisé
en ce qu'il comprend des moyens (15) de contrôle de pression dans la ligne d'aspiration (23a, 23b) comprenant des moyens commandés de pressurisation (12a, 12b) et de dépressurisation (7) du réservoir (8a, 8b) aptes à maintenir la pression dans la ligne (23a,23b) d'aspiration au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique (18).
en ce qu'il comprend des moyens (15) de contrôle de pression dans la ligne d'aspiration (23a, 23b) comprenant des moyens commandés de pressurisation (12a, 12b) et de dépressurisation (7) du réservoir (8a, 8b) aptes à maintenir la pression dans la ligne (23a,23b) d'aspiration au plus égale à la pression de saturation du fluide cryogénique augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe cryogénique (18).
2. Système de pompage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un capteur (14) de pression et un capteur (16) de température du fluide cryogénique dans la ligne (23a,23b) d'aspiration, fournissant des signaux à un bloc (15) de contrôle apte à
commander lesdits moyens de pressurisation (12a,12b) et de dépressurisation (7).
commander lesdits moyens de pressurisation (12a,12b) et de dépressurisation (7).
3. Système de pompage selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle de pressurisation et dépressurisation comprennent une vanne (12a,12b) de pressurisation et une vanne (7) de dépressurisation du réservoir (8a,8b).
4. Système de pompage selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de contrôle comprennent un bloc (17) de calcul apte à calculer à partir de la température mesurée par ledit capteur (16) de température une valeur minimale de la pression mesurée par ledit capteur (14) de pression égale à la pression de saturation du liquide à ladite température augmentée de la perte (NPSH) de charge d'entrée de la pompe (18).
5. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à
4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux réservoirs (8a,8b) de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir.
4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux réservoirs (8a,8b) de fluide cryogénique disposés en parallèle, au moins un réservoir étant rempli de fluide cryogénique pendant la vidange d'un autre réservoir.
6. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à
5, caractérisé en ce que lesdits réservoirs (8a,8b) sont remplis de fluide cryogénique saturé avec sa vapeur.
5, caractérisé en ce que lesdits réservoirs (8a,8b) sont remplis de fluide cryogénique saturé avec sa vapeur.
7. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à
6, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique est un fluide peu dense.
6, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique est un fluide peu dense.
8. Système de pompage selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit fluide cryogénique peu dense est de l'hydrogène ou de l'hélium.
9. Système de pompage selon l'une quelconque des revendications 1 à
8, caractérisé en ce que la pressurisation du réservoir (8a, 8b) est réalisée au moyen d'une source (22) de gaz sous pression.
8, caractérisé en ce que la pressurisation du réservoir (8a, 8b) est réalisée au moyen d'une source (22) de gaz sous pression.
10. Système de pompage selon la revendication 9, caractérisé en ce que le gaz de pressurisation de la source (22) de gaz sous pression est une partie du fluide pressurisé par la pompe (18).
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR0450397A FR2866929B1 (fr) | 2004-03-01 | 2004-03-01 | Systeme de pompage d'un fluide cryogenique |
| FR0450397 | 2004-03-01 | ||
| PCT/FR2005/050098 WO2005085637A1 (fr) | 2004-03-01 | 2005-02-16 | Systeme de pompage d’un fluide cryogenique |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CA2557948A1 true CA2557948A1 (fr) | 2005-09-15 |
Family
ID=34834267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CA002557948A Abandoned CA2557948A1 (fr) | 2004-03-01 | 2005-02-16 | Systeme de pompage d'un fluide cryogenique |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1723336B1 (fr) |
| JP (1) | JP2007525619A (fr) |
| AT (1) | ATE428856T1 (fr) |
| CA (1) | CA2557948A1 (fr) |
| DE (1) | DE602005013930D1 (fr) |
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