EP2614289A1 - Robinet pour bouteille de gaz, bouteille et procédé de remplissage correspondants - Google Patents

Robinet pour bouteille de gaz, bouteille et procédé de remplissage correspondants

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EP2614289A1
EP2614289A1 EP11757388.1A EP11757388A EP2614289A1 EP 2614289 A1 EP2614289 A1 EP 2614289A1 EP 11757388 A EP11757388 A EP 11757388A EP 2614289 A1 EP2614289 A1 EP 2614289A1
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EP
European Patent Office
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downstream
gas
downstream portion
filling
upstream
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11757388.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Emmanuel Baune
Philippe Deck
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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    • F17C2265/00—Effects achieved by gas storage or gas handling
    • F17C2265/02—Mixing fluids
    • F17C2265/025—Mixing fluids different fluids

Definitions

  • the present invention relates to a corresponding gas bottle valve, bottle and filling method.
  • the invention more particularly relates to a pressurized gas cylinder valve comprising a body having a base intended to be fixed in the orifice of a pressurized gas bottle, the body comprising an internal filling circuit extending between a upstream end opening outwardly of the body for receiving a gas distribution tool and a downstream end opening at the base for communicating, in mounted position, with the internal volume of a reservoir.
  • the known techniques for filling (filling) gas mixtures consist in either introducing synchronously the constituents of the mixture or making sequential introductions of the constituents. In the latter case, the homogeneity of the mixture obtained can be more or less satisfactory.
  • the conditioning installation to be implemented may have a first buffer capacity of the gas A and a second buffer capacity of the gas B.
  • the homogenization of the mixture is particularly difficult.
  • Another known technique is to fill the gases in the order of increasing molar masses.
  • one technique is to use supercritical CO2 during filling.
  • the bottles are rotated after conditioning to achieve internal homogenization. All these known techniques are very often empirical, local, partial, and none gives total satisfaction (need to use a complex apparatus, need to use a large workforce, little guarantee on the quality of homogenization. ..).
  • the volume of gas B is then introduced very slowly, according to a laminar regime. In this way a perfect stratification is obtained and the homogeneity of the mixture can not be obtained.
  • the volume of gas B is introduced more rapidly than in the first case, according to a more turbulent flow regime.
  • the mixture can be guaranteed with better homogeneity.
  • the volume of gas B is introduced fractionally, which corresponds to the discharge of a buffer capacity in several times (three times for example). In this case the mixing can be guaranteed with even better homogeneity.
  • a fourth case would consist of alternately mixing certain fractions of gas A and gas B. technique called "sandwich" can further improve the homogeneity.
  • a dip tube is used inside the bottle connected to the valve, to ensure better homogeneity regardless of the filling procedure chosen from the four cases above.
  • the filling installation can comprise a high-pressure pump, a buffer capacity, a valve and a line with dimensions adapted to the volumes of bottles to be filled, for a mixture in a bottle of 50 liters (water volume) at 200 bar of water.
  • % CO2 in Argon According to the first case above, a real content analyzed is obtained immediately after filling 1 1 .53% of CO2 for an Argon filling time in 40 seconds on CO2 previously introduced into the bottle.
  • Document CN2360693 seems to describe a specific control valve for a pipeline containing a fuel gas, based on the rotation of a miniature engine by means of a gear change, and whose purpose is to ensure better safety of the engine.
  • the tap also has a Y shape to increase gas flow and reduce pressure drops.
  • An object of the present invention is to overcome all or some of the disadvantages of the prior art noted above.
  • valve according to the invention is essentially characterized in that the downstream portion of the internal filling circuit comprises, upstream of the end downstream, at least a section reduction from upstream to downstream.
  • embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the downstream portion of the internal filling circuit does not comprise a functional member for controlling the flow of gas such as a valve
  • downstream portion of the internal filling circuit is rectilinear
  • downstream portion of the internal filling circuit comprises a gradual reduction of section from the upstream to the downstream
  • the downstream portion of the internal filling circuit has a section which decreases continuously over its entire length, the section ratio between the upstream end and the downstream end of the downstream portion is greater than one and preferably greater than 1, 5 and even more preferably greater than two,
  • the section ratio between the upstream end and the downstream end of the downstream portion is greater than three
  • the downstream portion has a length of between 20 mm and 180 mm, preferably between 30 and 120 mm.
  • the invention also relates to a gas cylinder provided with a valve according to any one of the above characteristics or below.
  • the bottle is generally cylindrical in shape and has a form factor of between two and twelve, preferably between three and eight,
  • downstream portion of the internal filling circuit is parallel or inclined with respect to the longitudinal axis of said reservoir
  • the invention also relates to a method for filling a bottle according to any one of the above characteristics or below with at least two distinct types of gas introduced successively to achieve a homogeneous mixture.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the figure schematically illustrates a valve mounted in the orifice of a bottle 7 of gas under pressure.
  • the valve comprising a body 1 having a base 2 fixed in the orifice of the bottle 7 (for example by screwing).
  • the bottle is of cylindrical shape, for example a "B50" type bottle, whose water volume is 50 liters, the height is 1500 mm and the inside diameter is 1 95 mm, giving a form factor (ratio between its height and the diameter of the barrel) of 7.7.
  • the homogeneity of the gaseous mixture is increased inside the bottle after filling with the invention.
  • the advantages in terms of homogeneity of the mixtures are particularly important for bottles having a relatively large form, that is to say, classically for bottles of large volumes of water for which the form factor is generally higher.
  • the invention also advantageously applies to bottles of smaller dimensions (for example of the "B1 1" type) whose bottle height may be equal to 630 mm and the diameter to 165 mm, for a shape factor of 3.8.
  • the body 1 of the valve comprising an internal filling circuit 5 extending between an upstream end 3 opening out of the body 1 to receive a gas distribution tool and a downstream end 4 opening at the base 2.
  • the downstream end 4 thus communicates with the internal volume of a reservoir.
  • this orifice at the downstream end 4 is sized to meet the safety requirements and operational efficiency required for the gas conditioning of the bottle through the valve.
  • the filling circuit 5 is diagrammatically shaded in the figure and the gas flow control members of the filling circuit (such as valves, valves, filters ...) are not shown.
  • the filling circuit 5 comprises, for example, an upstream portion transverse to the vertical axis A of the valve (this vertical axis A is, for example, coincident with the longitudinal axis of the reservoir 7 in the mounted position).
  • the downstream portion 6 of the filling circuit 5 can in turn be substantially parallel to the vertical axis A tap.
  • the upstream end 3 may be oriented preferably perpendicularly to the vertical axis A tap, but can also be oriented parallel to it, or obliquely.
  • the downstream portion 6 of the filling circuit 5 located at or in the base comprises, upstream of the downstream end 4, at least a section reduction from upstream to the downstream.
  • the downstream portion 6 of the filling circuit 5 is preferably rectilinear.
  • the section reduction of the downstream portion 6 is for example progressive from upstream to downstream.
  • the downstream portion 6 of the filling circuit 5 has a section that decreases continuously over its entire length.
  • the section ratio between the upstream end and the downstream end of the downstream portion 6 is greater than one and preferably greater than 1, 5 and even more preferably greater than two or greater than three.
  • the invention makes it possible to accelerate the passage of the gas during filling of the bottle without resorting to a dip tube.
  • a bottle of cylindrical shape and form factor between 2 and 12, preferably between 3 and 8.
  • 0a be the diameter of the gas passage section on the upstream side of the valve, that is to say upstream of the downstream portion 6.
  • 0b be the diameter of the gas passage section on the downstream side of the downstream portion 6.
  • the ratio between the sections (0a / 0b) is greater than 1 which produces an increase in the rate (v2> v1) of introducing gas into the bottle. A depression thus occurs in the throttling channel where the gas passes.
  • downstream portion 6 of the filling circuit 5 is empty, that is to say does not include a functional member for controlling the flow of gas such as a valve, a filter or the like.
  • the present invention also makes it possible to overcome, or less significantly reduce, heavy homogenization procedures for the contents by handling the bottles. This then makes it possible in a non-negligible way to claim operational efficiency gains and to lower certain security requirements.

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Abstract

Robinet pour bouteille de gaz sous pression comprenant un corps (1) comportant une embase (2) destinée à être fixée dans l'orifice d'une bouteille de gaz sous pression, le corps (1) comprenant un circuit (5) interne de remplissage s'étendant entre une extrémité amont (3) débouchant à l'extérieur du corps (1) pour recevoir un outil de distribution de gaz et une extrémité aval (4) débouchant au niveau de l'embase (2) pour communiquer, en position montée, avec le volume interne d'un réservoir, caractérisé en ce que la portion aval(6) du circuit (5) interne de remplissage comprend, en amont de l'extrémité aval (4), au moins une réduction de section de l'amont vers l'aval.

Description

Robinet pour bouteille de gaz, bouteille et procédé de remplissage correspondants
La présente invention concerne un robinet pour bouteille de gaz, une bouteille et un procédé de remplissage correspondants.
L'invention concerne plus particulièrement un robinet pour bouteille de gaz sous pression comprenant un corps comportant une embase destinée à être fixée dans l'orifice d'une bouteille de gaz sous pression, le corps comprenant un circuit interne de remplissage s'étendant entre une extrémité amont débouchant à l'extérieur du corps pour recevoir un outil de distribution de gaz et une extrémité aval débouchant au niveau de l'embase pour communiquer, en position montée, avec le volume interne d'un réservoir.
Les techniques connues de conditionnement (remplissage) de mélanges de gaz consistent soit à introduire de manière synchrone les constituants du mélange, soit à réaliser des introductions séquentielles des constituants. Dans ce dernier cas, l'homogénéité du mélange obtenu peut être plus ou moins satisfaisante.
En effet, pour réaliser un mélange gazeux de deux constituants A et B à une pression de service P déterminée il est possible d'utiliser une première source de gaz A, de densité dA et une seconde source du gaz B, de densité dB (avec par exemple dA inférieur à dB).
L'installation de conditionnement à mettre en œuvre peut disposer d'une première capacité tampon du gaz A et d'une seconde capacité tampon du gaz B.
Dans le cas où le mélange A+B comporte des constituants (A et B) dont les masses molaires sont très différentes, l'homogénéisation du mélange est particulièrement difficile. Pour augmenter l'homogénéisation du mélange, il est courant d'util iser des tubes plongeurs lors du rempl issage. Selon d'autres techniques connues les bouteilles remplies sont couchées par des opérateurs après remplissage pour favoriser le mélange.
Une autre technique connue consiste à remplir les gaz dans l'ordre des masses molaires croissantes. Dans le cas du CO2, une technique consiste à utiliser du CO2 supercritique lors du remplissage.
Selon d'autres solutions connues, les bouteilles sont mises en rotation après conditionnement pour réaliser l'homogénéisation interne. Toutes ces techniques connues sont très souvent empiriques, locales, partielles, et aucune ne donne totale satisfaction (nécessité d'utiliser un appareillage complexe, nécessité d'utiliser une grande main d'œuvre, peu de garantie sur la qualité de l'homogénéisation...).
Pour illustrer ce problème d'homogénéisation on pourra prendre l'exemple d'un mélange de gaz A+ B, avec une teneur cible de 75% du gaz A et 25% du gaz B. D'une manière classique, le volume de gaz A doit être introduit en premier dans le réservoir si sa densité est plus faible et sa pression de vapeur saturante est plus forte.
Selon un premier cas, le volume de gaz B est ensu ite introdu it très lentement, selon un régime laminaire. De cette façon on obtient une parfaite stratification et l'homogénéité du mélange ne peut pas être obtenue.
Selon un deuxième cas, le volume de gaz B est introduit plus rapidement que dans le premier cas, selon un régime d'écoulement plus turbulent. Dans ce cas le mélange peut être garanti avec une meilleure homogénéité.
Selon un troisième cas, le volume de gaz B est introduit de façon fractionnée, ce qui correspond à la décharge d'une capacité tampon en plusieurs fois (trois fois par exemple). Dans ce cas le mélange peut être garanti avec une homogénéité encore meilleure.
En considérant que les pressions de vapeur saturante des gaz A et B et que la pression de service de la bouteille soient compatibles avec ce mode de réalisation du mélange, un quatrième cas consisterait à mélanger alternativement certaines fractions de gaz A et de gaz B. Cette technique dit en « sandwich » permet d'améliorer encore l'homogénéité.
Selon un cinquième cas, on utilise un tube plongeur à l'intérieur de la bouteille connecté à la valve, pour garantir une meilleure homogénéité quelle que soit la procédure de remplissage choisie parmi les quatre cas ci-dessus.
Ces exemples ci-dessus peuvent être appliqués à un mélange CO2 (gaz A) et Argon (gaz B).
L'installation de remplissage peut comporter une pompe haute pression, une capacité tampon, une vanne et une ligne aux dimensions adaptées aux volumes de bouteilles à remplir, pour un mélange dans une bouteille de 50 litres (volume en eau) à 200 bar de 18% CO2 dans de l'Argon. Selon le premier cas ci-dessus on obtient ainsi une teneur réelle analysée immédiatement après remplissage de 1 1 .53% en CO2 pour un temps de remplissage en Argon en 40 secondes sur du CO2 préalablement introduit dans la bouteille.
En comparaison, l'homogénéité est améliorée puisque la teneur mesurée en CO2 passe à 16.50% pour un temps de remplissage en Argon en 23 minutes (selon le cas 2 ci-dessus).
Avec le remplissage « en sandwich » on obtient une teneur réelle à seulement 6-9% dans le premier cas mesurée immédiatement après remplissage. En comparaison, pour le même mélange on obtient une teneur réelle à 14-16% selon le quatrième 4.
Le document CN2360693 semble décrire un robinet de contrôle spécifique pour pipeline contenant un gaz combustible, basé sur la mise en rotation d'un moteur miniature par le biais d'un changement de vitesse, et dont le but est d'assurer une meilleure sécurité de la tuyauterie. Le robinet dispose en outre d'une forme en Y permettant d'augmenter un débit de gaz et de réduire les chutes de pression.
U n but d e l a présente invention est de pal l ier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
A cette fin, le robinet selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la portion aval du circuit interne de remplissage comprend, en amont de l'extrémité aval, au moins une réduction de section de l'amont vers l'aval.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la portion aval du circuit interne de remplissage ne comprend pas d'organe fonctionnel de contrôle du flux de gaz tel qu'un clapet,
- la portion aval du circuit interne de remplissage est rectiligne,
- la portion aval du circuit interne de remplissage comprend une réduction de section progressive de l'amont vers l'aval,
- la portion aval du circuit interne de remplissage a une section qui diminue de façon continue sur toute sa longueur, - le rapport de section entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la portion aval est supérieur à un et de préférence supérieur à 1 ,5 et encore plus préférentiellement supérieur à deux,
- le rapport de section entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la portion aval est supérieur à trois,
- la portion aval a une longueur comprise entre 20mm et 180mm, de préférence entre 30 et 120mm.
L'invention concerne également une bouteille de gaz munie d'un robinet conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après.
Selon d'autres particularités possibles :
- la bouteille est de forme générale cylindrique et a un facteur de forme est compris entre deux et douze, de préférence entre trois et huit,
- la portion aval du circuit interne de remplissage est parallèle ou inclinée par rapport à l'axe longitudinal dudit réservoir,
L'invention concerne également un procédé de remplissage d'une bouteille conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après avec au moins deux types de gaz distincts introduits successivement pour réaliser un mélange homogène.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure unique qui représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant la partie supérieure d'un réservoir muni d'un robinet selon un exemple de réalisation de l'invention.
La figure illustre schématiquement un robinet monté dans l'orifice d'une bouteille 7 de gaz sous pression. Le robinet comprenant un corps 1 comportant une embase 2 fixée dans l'orifice de la bouteille 7 (par exemple par vissage).
Classiquement la bouteille est de forme cylindrique, par exemple une bouteille de type « B50 », dont le volume en eau est de 50 litres, la hauteur est de 1 500mm et le diamètre intérieur est de 1 95mm, donnant un facteur de forme (rapport entre sa hauteu r et le d iamètre d u fût) de 7,7. Selon l'invention l'homogénéité du mélange gazeux est augmentée à l'intérieur de la bouteille après remplissage grâce à l'invention. Les avantages en terme d'homogénéité des mélanges sont particulièrement importants pour les bouteilles ayant un facteur de forme relativement important, c'est-à-dire classiquement pour les bouteilles de volumes en eau importants pour lesquelles le facteur de forme est généralement plus élevé. Cependant, l'invention s'applique avantageusement également à des bouteilles de plus faibles dimensions (par exemple du type « B1 1 ») dont la hauteur de la bouteille peut être égale à 630mm et le diamètre à 165mm, pour un facteur de forme de 3.8.
Classiquement, le corps 1 du robinet comprenant un circuit 5 interne de remplissage s'étendant entre une extrémité amont 3 débouchant à l'extérieur du corps 1 pour recevoir un outil de distribution de gaz et une extrémité aval 4 débouchant au niveau de l'embase 2. L'extrémité aval 4 communique ainsi avec le volume interne d'un réservoir.
Bien entendu, cet orifice au niveau de l'extrémité aval 4 est dimensionné pour satisfaire les exigences de sécurité et d'efficacité opérationnelle requises pour le conditionnement en gaz de la bouteille au travers du robinet.
Par soucis de simplification, le circuit 5 de remplissage est schématisé de façon grisée à la figure et les organes de contrôle du flux de gaz du circuit de remplissage (tels que clapets, vannes, filtres...) ne sont pas représentés.
Par soucis de simplification également les autres éléments du robinet ne sont pas représentés (circu it de soutirage du gaz, clapet, vanne, éventuel détendeur...). Le circuit 5 de remplissage comporte par exemple une portion amont transversale à l'axe A verticale du robinet (cet axe A vertical est par exemple confondu avec l'axe longitudinal du réservoir 7 en position montée).
La portion aval 6 du circuit 5 de rempl issage peut quant à elle être sensiblement parallèle à l'axe A vertical du robinet.
L'extrém ité amont 3 peut être orientée de man ière préférentiel le perpendiculairement à l'axe A vertical du robinet, mais peut également être orientée parallèlement à celui-ci, voire en oblique.
Selon une particularité de l'invention, la portion aval 6 du circu it 5 de remplissage située au niveau ou dans l'embase comprend, en amont de l'extrémité aval 4, au moins une réduction de section de l'amont vers l'aval.
Comme représenté à la figure la portion aval 6 du circuit 5 de remplissage est de préférence rectiligne. La réduction de section de la portion aval 6 est par exemple progressive de l'amont vers l'aval. Par exemple, la portion aval 6 du circuit 5 de remplissage a une section qui diminue de façon continue sur toute sa longueur.
Le rapport de section entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la portion aval 6 est supérieur à un et de préférence supérieur à 1 ,5 et encore plus préférentiellement supérieur à deux ou supérieur à trois.
L'invention permet d'accélérer le passage du gaz lors du remplissage de la bouteille sans recourir à un tube plongeur.
Soit une bouteille de forme cylindrique et de facteur de forme compris entre 2 et 12, de préférence entre 3 et 8.
Soit 0a le diamètre de la section de passage du gaz du côté amont du robinet, c'est-à-dire en amont de la portion 6 aval.
Soit 0b le diamètre de la section de passage du gaz du côté aval de la portion 6 aval.
Selon la solution proposée, le rapport entre les sections (0a/0b) est supérieur à 1 ce qui produit une augmentation de la vitesse (v2>v1 ) d'introduction d u gaz da ns la boutei l l e. Une dépression intervient ainsi dans le canal d'étranglement où passe le gaz.
Ceci permet d'accélérer (v2) la vitesse de passage (v1 ) des gaz introduits à l'intérieur de la bouteille 7 lorsque le robinet est traversé par le gaz. Cette augmentation de la vitesse d'introduction du gaz introduit B, augmente donc l'énergie cinétique correspondante. Ceci permet de projeter le gaz dans la bouteille sur une distance plus importante que selon l'art antérieur. Ceci favorise un mélange de gaz plus homogène lorsque des gaz sont remplis successivement.
De préférence la portion aval 6 du circuit 5 de remplissage est vide, c'est-à- dire ne comprend pas d'organe fonctionnel de contrôle du flux de gaz tel qu'un clapet, un filtre ou autre.
La présente invention permet également de s'affranchir, ou moins d'alléger significativement de lourdes procédures d'homogénéisation du contenu par manipulation des bouteilles. Ceci permet alors de manière non négligeable de prétendre à des gains d'efficacité opérationnelle et d'abaisser certaines exigences sécuritaires.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Robinet pour bouteille de gaz sous pression comprenant un corps (1 ) comportant une embase (2) destinée à être fixée dans l'orifice d'une bouteille de gaz sous pression, le corps (1 ) comprenant un circuit (5) interne de remplissage s'étendant entre une extrémité amont (3) débouchant à l'extérieur du corps (1 ) pour recevoir un outil de distribution de gaz et une extrémité aval (4) débouchant au niveau de l'embase (2) pour communiquer, en position montée, avec le volume interne d'un réservoir, caractérisé en ce que la portion aval (6) du circuit (5) interne de remplissage située au niveau de l'embase (2) comprend, en amont de l'extrémité aval (4), au moins une réduction de section de l'amont vers l'aval, la portion aval (6) du circuit (5) interne de remplissage étant rectiligne, la réduction de section étant progressive de l'amont vers l'aval.
2. Robinet selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la portion aval (6) du circuit (5) interne de remplissage comprenant la réduction de section est dépourvue de tout organe fonctionnel de contrôle du flux de gaz tel qu'un clapet ou un filtre.
3. Robinet selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la portion aval (6) du circuit (5) interne de remplissage a une section qui diminue de façon continue sur toute sa longueur.
4. Robinet selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rapport de section entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la portion aval (6) est supérieur à un et de préférence supérieur à 1 ,5 et encore plus préférentiel lement supérieur à deux.
5. Robinet selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport de section entre l'extrémité amont et l'extrémité aval de la portion aval (6) est supérieur à trois.
6. Robinet selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la portion aval (6) a une longueur comprise entre 20mm et
180mm, de préférence entre 30 et 120mm.
7. Bouteille de gaz munie d'un robinet conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Bouteille selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle est de forme générale cylindrique et a un facteur de forme est compris entre deux et douze, de préférence entre trois et huit.
9. Bouteille selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la portion aval (6) du circuit (5) interne de remplissage est parallèle ou inclinée par rapport à l'axe longitudinal dudit réservoir.
10. Procédé de remplissage d'une bouteille conforme à l'une quelconque des revendications 7 à 9 avec au moins deux types de gaz distincts introduits successivement pour réaliser un mélange homogène.
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