EP1909023B1 - Procédé et dispositif de stockage de fluides cryogéniques - Google Patents

Procédé et dispositif de stockage de fluides cryogéniques Download PDF

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EP1909023B1
EP1909023B1 EP07301340.1A EP07301340A EP1909023B1 EP 1909023 B1 EP1909023 B1 EP 1909023B1 EP 07301340 A EP07301340 A EP 07301340A EP 1909023 B1 EP1909023 B1 EP 1909023B1
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EP
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fluid
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volume
inner casing
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Lucien Varrassi
Patrick Fontanille
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Cryolor SA
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Cryolor SA
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Publication date
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for storing cryogenic fluids.
  • the invention more particularly relates to a cryogenic fluid storage device comprising a reservoir comprising an inner casing for containing cryogenic liquid, an outer casing and a vacuum insulation space between the inner and outer casings, a system of dispensing fluid from the inner casing to a working volume of a pumping member.
  • cryogenic pump In order to pump fluid contained in a cryogenic tank, the ideal location of the cryogenic pump is within the same liquid within the internal storage casing. Indeed, in these conditions the pump always remains cold and can be started at any time instantly without requiring prior cooling to bring it to the working temperature. In addition, in this configuration, the cryogenic liquid is admitted into the pump in the best possible conditions.
  • the document U5884488 discloses a pumping system for cryogenic tank with double jacket in which the pump is partially housed in the inter-wall space.
  • the pumping chamber is connected to the liquid part of the tank via a suction pipe comprising a non-return valve.
  • the valve is also connected to the gaseous part of the reservoir via a second gaseous conduit connected to the non-return valve.
  • auxiliary tank supplied with liquid from the tank and arranged at the foot of the latter.
  • the auxiliary tank consists of a small vacuum insulated capacity comprising the cold head forming a suction chamber and containing the cylinder of the pump.
  • the supply valves are open to feed the pump with the tank liquid in order to put the pump to temperature.
  • the cooling of the pump is thus not instantaneous and causes a significant refrigeration loss, the coolant and is vaporized and returned to the gas phase tank is heated and returned to the liquid phase in the tank. After cooling, the pump can be started. After use, stopping the pump isolates the tank capacity.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • cryogenic storage device which moreover complies with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the working volume of the pumping member is located at less partially within the vacuum isolation space and in that the fluid distribution system comprises one or pipes able to put in permanent fluidic communication the fluid contained in the inner envelope and the working volume.
  • An object of the present invention is to provide a method and a device for storing and dispensing cryogenic fluids from a reservoir overcoming all or some of the above disadvantages.
  • the device for storing cryogenic fluids illustrated comprises a reservoir 100, for example of the vertical type, conventionally comprising an inner envelope 2 intended to contain cryogenic liquid and an outer envelope 22 separated from the inner envelope 2 by an isolation space 15 under vacuum.
  • the vacuum insulation space 15 forms a lower capacity which extends downwards.
  • a working volume 1 for a cryogenic pump (or thimble) is housed within the isolated volume under vacuum (e.g. in the lower capacity).
  • the working volume 1 for the pump has for example a generally oblong shape (cylindrical for example) and is preferably inclined at an angle A by relative to the vertical axis of the tank 100.
  • the tilt angle A of the working volume 1 may be between about 25 and 70 degrees.
  • the working volume 1 is supplied with fluid from the reservoir 100 by a thermosiphon system comprising a first pipe or inlet pipe 3 connected to the lower part of the inner casing and to the lower part of the working volume 1.
  • the thermosyphon comprises a second return line 4 connected on the one hand to the inside of the tank (above its base) and, on the other hand, to a median or upper part of the working volume 1.
  • a liquid level 5 is established naturally and permanently within the volume 1 of work filling the latter at least in part.
  • the cylinder 6 of the cryogenic pump is constantly immersed and at a suitable temperature to start immediately.
  • Valves 7, 8 respectively arranged at the junctions between the inlet pipes 3 and return 4 on the one hand and the working volume 1 on the other hand are provided for the appropriate fluidic isolation of the working volume vis-a-vis with respect to the tank 100 so as to allow the assembly / disassembly of the pump and its removal (the pump is preferably removably arranged in the working volume).
  • Each valve 7, 8 may be associated with a respective operating member (or common).
  • the actuators of the valves 7, 8 have respective portions 13, 14 located outside the vacuum insulation space 15, the outer portions 13, 14 being protected by caps 11, 12 respective removable masks.
  • the sealing of the valve system may comprise a packing system 9, 10 disposed at each junction between the vacuum insulation volume 15 and the outer portions 13, 14 of the actuating members of the valves 7, 8.
  • the invention allows a better operation of a pumping system for cryogenic tank (and in particular a quick start of the pump).
  • the invention which limits the refrigeration losses also allows easy maintenance of the storage assembly.
  • the invention also makes it possible to integrate an alternative pump operating at pressures of, for example, between 30 and 600 bar in order to obtain an assembly acting as a high-pressure evaporator.

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Description

  • La présente invention concerne un procédé et un dispositif de stockage de fluides cryogéniques.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de stockage de fluides cryogéniques comprenant un réservoir comportant d'une enveloppe intérieure destinée à contenir du liquide cryogénique, une enveloppe extérieure et un espace d'isolation sous vide entre les enveloppes intérieure et extérieure, un système de distribution de fluide depuis l'enveloppe intérieure vers un volume de travail d'un organe de pompage.
  • Pour pomper du fluide contenu dans un réservoir cryogénique, l'emplacement idéal de la pompe cryogénique est au sein même du liquide à l'intérieur de l'enveloppe de stockage interne. En effet, dans ces conditions la pompe reste toujours en froid et peut donc être mise en route à tout moment instantanément sans nécessiter de refroidissement préalable pour l'amener à la température de travail. De plus, dans cette configuration, le liquide cryogénique est admis dans la pompe dans les meilleures conditions possibles.
  • Cependant, cette solution présente de nombreux problèmes et notamment un accès difficile à la pompe pour lui transmettre son mouvement.
  • Pour résoudre ce problème une autre solution consiste à immerger la pompe dans le réservoir via un orifice situé en partie supérieure du réservoir. Un tel agencement est décrit par exemple dans le document US4860545 . Ce type d'agencement est relativement fiable et peut fonctionner de façon automatique. Cependant, toute intervention sur la pompe provoque un arrêt relativement long de l'installation. Par ailleurs, dans cette solution le réservoir doit être de préférence horizontal ce qui occupe une surface au sol relativement importante.
  • Le document U5884488 décrit un système de pompage pour réservoir cryogénique à double enveloppe dans lequel la pompe est partiellement logée dans l'espace inter paroi. La chambre de pompage est reliée à la partie liquide du réservoir via un conduit d'aspiration comprenant un clapet anti-retour. Le clapet est relié également à la partie gazeuse du réservoir via un second conduit gazeux raccordé au niveau du clapet anti-retour.
  • Un autre agencement connu consiste à immerger la pompe dans un bac annexe alimenté en liquide à partir du réservoir et disposé au pied de ce dernier. Plus précisément, le bac annexe est constitué d'une petite capacité isolée sous vide comprenant la tête froide formant une chambre d'aspiration et contenant le cylindre de la pompe. Avant d'utiliser la pompe des vannes d'alimentation sont ouvertes pour alimenter la pompe avec le liquide du réservoir afin de mettre la pompe à température. La mise en froid de la pompe n'est ainsi pas instantanée et entraîne une perte frigorifique assez importante, le liquide de refroidissement et soit vaporisé et renvoyé dans le réservoir en phase gazeuse, soit réchauffé et renvoyé en phase liquide dans le réservoir. Après son refroidissement, la pompe peut être mise en marche. Après utilisation, l'arrêt de la pompe isole la capacité du réservoir.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, le dispositif de stockage cryogénique selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le volume de travail de l'organe de pompage est situé au moins partiellement au sein de l'espace d'isolation sous-vide et en ce que le système de distribution de fluide comprend une ou des conduites aptes à mettre en communication fluidique permanente le fluide contenu dans l'enveloppe intérieure et le volume de travail.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • le système de distribution de fluide comprend un thermosiphon comprenant une conduite d'arrivée de fluide et une conduite de retour de fluide raccordées chacune à l'enveloppe intérieure et au volume de travail,
    • les raccordements des conduites d'arrivée et de retour dans le volume de travail sont situés à des altitudes différentes pour créer un niveau de remplissage de liquide déterminé dans le volume de travail,
    • le système de distribution de fluide comprend un système de vannes permettant sélectivement la communication ou l'isolation fluidique entre le fluide contenu dans l'enveloppe intérieure et le volume de travail,
    • le volume de travail a une forme générale oblongue disposée de façon inclinée relativement à l'axe vertical du réservoir (100) selon un angle compris entre 25 et 70 degrés environ,
    • le volume de travail de l'organe de pompage et le système de distribution de fluide sont situés dans une zone de l'espace d'isolation sous-vide située dans la partie inférieure du réservoir,
    • le volume de travail est un doigt de gant destiné à accueillir le cylindre d'une pompe cryogénique,
    • le dispositif comporte une pompe cryogénique dont le cylindre est monté de façon démontable dans le volume de travail,
    • les enveloppes intérieure et extérieure ont des formes générales oblongues, dont les axes longitudinaux sont orientés verticalement,
    • le système de distribution de fluide assure un niveau de remplissage de liquide déterminé dans le volume de travail de l'ordre d'au mois un tiers et de préférence au moins la moitié du total du volume de travail,
    • les conduites d'arrivée et de retour sont sensiblement verticales et raccordées à l'enveloppe intérieure au niveau de la base de cette dernière,
    • le système de vannes comprend une première vanne interposée entre la conduite d'arrivée et le volume de travail et une seconde vanne interposée entre la conduite de retour et le volume de travail, chaque vanne étant associée à un organe de manoeuvre respectif de ladite vanne,
    • les organes de manoeuvre des vannes comportent des portions respectives située à l'extérieure de l'espace d'isolation sous vide, les portions extérieures étant protégées par des chapeaux d'occultation respectifs,
    • l'étanchéité du système de vannes comprend un système de garniture disposé au niveau de chaque jonction entre le volume d'isolation sous vide et les portions extérieures des organes de manoeuvre des vannes.
  • Un but de la présente invention est de proposer un procédé et un dispositif de stockage et de distribution de fluides cryogéniques à partir d'un réservoir palliant tout ou partie des inconvénients ci-dessus.
  • D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique représentant une vue en coupe verticale, schématique et partielle, d'un dispositif conforme à un exemple de réalisation de l'invention.
  • Le dispositif de stockage de fluides cryogéniques illustré comprend un réservoir 100, par exemple de type vertical, comportant classiquement une enveloppe intérieure 2 destinée à contenir du liquide cryogénique et une enveloppe extérieure 22 séparée de l'enveloppe intérieure 2 par un espace 15 d'isolation sous vide.
  • En partie inférieure du réservoir 100, l'espace 15 d'isolation sous vide forme une capacité inférieure qui s'étend vers le bas. Un volume de travail 1 pour une pompe cryogénique (ou doigt de gant) est logé à l'intérieur du volume 15 isolé sous vide (par exemple dans la capacité inférieure).
  • Le volume de travail 1 pour la pompe a par exemple une forme générale oblongue (cylindrique par exemple) et est de préférence incliné d'un angle A par rapport à l'axe vertical du réservoir 100. Par exemple, l'angle d'inclinaison A du volume de travail 1 peut être compris entre 25 et 70 degrés environ.
  • Le volume de travail 1 est alimenté en fluide du réservoir 100 par un système thermosiphon comprenant une première conduite ou tuyauterie 3 d'arrivée raccordée à la partie basse de l'enveloppe intérieure et à la partie inférieure du volume 1 de travail. Le thermosiphon comprend une seconde conduite de retour 4 raccordée d'une part à l'intérieur du réservoir (au-dessus de sa base) et, d'autre part, à une partie médiane ou supérieure du volume de travail 1.
  • En configuration d'utilisation, un niveau 5 de liquide s'établit naturellement et en permanence au sein du volume 1 de travail remplissant ce dernier au moins en partie. De cette façon, le cylindre 6 de la pompe cryogénique est constamment immergée et à température adéquate pour démarrer immédiatement.
  • Des vannes 7, 8 disposées respectivement aux niveau des jonctions entre d'une part les conduites d'arrivée 3 et de retour 4 et d'autre part le volume de travail 1 sont prévues pour le cas échéant isoler fluidiquement le volume de travail vis-à-vis du réservoir 100 de façon à permettre le montage/démontage de la pompe et son retrait (la pompe est de préférence disposée de façon démontable dans le volume de travail).
  • Chaque vanne 7, 8 peut être associée à un organe de manoeuvre respectif (ou commun). Par exemple, les organes de manoeuvre des vannes 7, 8 comportent des portions respectives 13, 14 située à l'extérieure de l'espace 15 d'isolation sous vide, les portions extérieures 13, 14 pouvant être protégées par des chapeaux 11, 12 d'occultation amovibles respectifs.
  • L'étanchéité du système de vannes peut comprendre un système de garniture 9, 10 disposé au niveau de chaque jonction entre le volume 15 d'isolation sous vide et les portions 13, 14 extérieures des organes de manoeuvre des vannes 7, 8.
  • On conçoit donc aisément que tout en étant de structure simple et peu coûteuse, l'invention permet un meilleur fonctionnement d'un système de pompage pour réservoir cryogénique (et notamment un démarrage rapide de la pompe). L'invention qui limite les pertes frigorifiques permet par ailleurs une maintenance aisée de l'ensemble de stockage.
  • L'invention permet de plus d'intégrer une pompe alternative fonctionnant à des pressions comprises par exemple entre 30 et 600 bar afin d'obtenir un ensemble faisant office d'évaporateur haute pression.

Claims (8)

  1. Dispositif de stockage de fluides cryogéniques comprenant un réservoir (100) comportant d'une enveloppe intérieure (2) destinée à contenir du liquide cryogénique, une enveloppe extérieure (22) et un espace (15) d'isolation sous vide entre les enveloppes intérieure (2) et extérieure (22), un système (3, 4) de distribution de fluide depuis l'enveloppe intérieure (2) vers un volume de travail (1) d'un organe (6) de pompage, le volume de travail (1) de l'organe (6) de pompage étant situé au moins partiellement au sein de l'espace (15) d'isolation sous-vide, le système (3, 4) de distribution de fluide comprenant une ou des conduites aptes à mettre en communication fluidique permanente le fluide contenu dans l'enveloppe intérieure (2) et le volume de travail (1), caractérisé en ce que le système (3, 4) de distribution de fluide comprend un thermosiphon comprenant une conduite d'arrivée (3) de fluide et une conduite de retour de fluide (4) raccordées chacune à l'enveloppe intérieure (2) et au volume de travail (1)
    les raccordements des conduites d'arrivée (3) et de retour (4) dans le volume de travail (1) étant situés à des altitudes différentes pour créer un niveau (5) de remplissage de liquide déterminé dans le volume (1) de travail.
  2. Dispositif de stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système (3, 4) de distribution de fluide comprend un système de vannes (7, 8) permettant sélectivement la communication ou l'isolation fluidique entre le fluide contenu dans l'enveloppe intérieure (2) et le volume de travail (1).
  3. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le volume de travail (1) a une forme générale oblongue disposée de façon inclinée relativement à l'axe vertical du réservoir (100) selon un angle compris entre 25 et 70 degrés environ.
  4. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume de travail (1) de l'organe (6) de pompage et le système (3, 4) de distribution de fluide sont situés dans une zone de l'espace (15) d'isolation sous-vide située dans la partie inférieure du réservoir (100).
  5. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume de travail (1) est un doigt de gant destiné à accueillir le cylindre (6) d'une pompe cryogénique.
  6. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe cryogénique dont le cylindre (6) est monté de façon démontable dans le volume (1) de travail.
  7. Dispositif de stockage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les enveloppes intérieure (2) et extérieure (22) ont des formes générales oblongues, dont les axes longitudinaux sont orientés verticalement.
  8. Procédé de stockage et de distribution de fluides cryogéniques à partir d'un dispositif de stockage conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, , caractérisé en ce que le volume de travail (1) de l'organe (6) de pompage est disposé au moins partiellement au sein de l'espace (15) d'isolation sous-vide et en ce que, en dehors des périodes de montage/démontage de l'organe (6) de pompage et en dehors des périodes de retrait de l'organe (6) de pompage, le procédé comporte une étape de mise en communication permanente du fluide contenu dans l'enveloppe intérieure (2) avec le volume de travail (1).
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