EP2715294A1 - Débitmètre pour fluides diphasiques cryogeniques gaz/liquide - Google Patents

Débitmètre pour fluides diphasiques cryogeniques gaz/liquide

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Publication number
EP2715294A1
EP2715294A1 EP12728692.0A EP12728692A EP2715294A1 EP 2715294 A1 EP2715294 A1 EP 2715294A1 EP 12728692 A EP12728692 A EP 12728692A EP 2715294 A1 EP2715294 A1 EP 2715294A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
gas
phase
tank
valve
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12728692.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Antony Dallais
Thierry Dubreuil
Didier Pathier
Mohammed Youbi-Idrissi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP2715294A1 publication Critical patent/EP2715294A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/007—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring the level variations of storage tanks relative to the time
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74—Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F15/00—Details of, or accessories for, apparatus of groups G01F1/00 - G01F13/00 insofar as such details or appliances are not adapted to particular types of such apparatus
    • G01F15/08—Air or gas separators in combination with liquid meters; Liquid separators in combination with gas-meters

Definitions

  • the present invention relates to the field of flowmeters for two-phase gas / liquid fluids.
  • the flow measurement of a two-phase fluid composed of a liquid and a gas is a difficult operation when one seeks to measure a mass flow rate. Indeed, all sensors measuring a flow are disturbed when they are placed in the presence of a two-phase liquid whose density changes continuously. This is particularly valid for the flow measurement of cryogenic fluids such as liquid nitrogen.
  • Turbine So-called “turbine” flowmeters: a turbine is installed in the fluid in motion and the speed of rotation of the turbine gives an image of the fluid velocity.
  • Pitot tube flowmeters two tubes are installed in the moving fluid to be measured. One tube is installed perpendicular to the flow and gives the static pressure, the other is installed parallel to the flow and gives the total dynamic pressure. The dynamic pressure difference between these two measurements makes it possible to calculate the flow rate.
  • ultrasonic flowmeters some use the Doppler effect (analysis of the frequency reflected by the particles of the fluid which gives an image of the speed of the particle and therefore of the fluid) while others measure a difference of travel time of an ultrasonic wave from upstream to downstream and from downstream to upstream (image of fluid velocity).
  • electromotive flowmeters which are applicable only to fluids having sufficient electrical conductivity since they use the principle of electromagnetic induction: an electromagnetic field is applied to the fluid and the electromotive force created (force proportional to the fluid flow) is measured.
  • electromotive force created force proportional to the fluid flow
  • Vortex flowmeters are based on the phenomenon of vortex generation that is observed behind a non-profiled fixed body placed in a moving fluid (Karman effect). Measuring the pressure variations created by these vortices gives the vortex frequency, which is proportional to the velocity of the fluid when the fluid retains constant properties. When the density of the fluid varies, here again the measurement will be distorted.
  • thermal flow meters which are based on the measurement of the increase in temperature created by a constant supply of energy.
  • a two temperature probe system measures the difference in temperature between the inflow and outflow of the flowmeter. Between these two probes, resistance brings a known amount of energy. When the heat capacity of the fluid in motion is known, the flow rate can be calculated from these measurements.
  • this principle is not applicable to biphasic liquids whose thermal behavior (vaporization of the liquid) is totally different from monophasic liquids.
  • the flow meter consists of a U or omega tube or curve in which the fluid flows.
  • the U is subjected to a lateral oscillation and the measurement of the phase shift of the vibrations between the two branches of the U gives an image of the mass flow.
  • its cost is quite high and when it is used at very low temperatures (liquid nitrogen at -196 ° C for example) and with a fluid whose density varies enormously and having a significant portion in the gas phase, it There is a need to strongly isolate the system (it requires a high performance insulation such as vacuum insulation for example) and despite these precautions, measurements are sometimes distorted.
  • the two-phase liquid first goes into a phase separator which separates the liquid phase from the gas phase.
  • the gas phase is directed to a volumetric flow meter (turbine type for example) with a temperature compensation.
  • the liquid phase is also directed to a volumetric flowmeter (turbine type for example)
  • this device is more expensive than the previous one, we can think that it will be very precise.
  • the measurement of the liquid flow is marred by errors that fluctuate according to the pressure and temperature conditions of the liquid entering the flow meter. These measurement errors are due to the presence of gas in the liquid phase which passes through the flowmeter. Indeed, when the liquid leaves the phase separator to go to the flowmeter, part of the liquid vaporizes either because of the heat inputs or because of the pressure drop due to rising liquid is because of a pressure drop due to the pressure drop created by the flowmeter itself.
  • a flow meter will be installed at the outlet of a cryogenic pump (high pressure side).
  • the liquid is for example pumped into a tank or it is at equilibrium and it is mounted under pressure by the pump almost without temperature increase.
  • the following piping and flowmeter can then create a pressure drop, this will not result in vaporizing the liquid provided that the pressure drop is significantly lower than the pressure increase created by the pump.
  • the present invention seeks to propose a new simple and reliable solution for measuring the flow of two-phase fluids gas / cryogenic liquid, to solve all or part of the technical problems mentioned above.
  • the fluid can arrive at a variable but generally low pressure (typically between 1 and 6 bar), and under pressure and temperature conditions a priori not known.
  • the liquid phase may be at equilibrium (at saturation).
  • the fluid can be composed of a liquid phase and a gas phase (two-phase liquid).
  • the measuring device according to the invention is positionable in line on the supply line of a cryogenic apparatus consuming the cryogenic liquid such as a cryogenic tunnel, a churn etc.
  • the proposed scheme includes the following elements:
  • a tank acting as a phase separator installed in the upper position in the installation (typically in the preferred range between 1 and 6 meters) relative to a flow sensor phase l iqu ide positioned on a pipe leading this phase liquid to equipment downstream of the flow measuring device (such as a tunnel as mentioned above).
  • any other device making it possible to separate the liquid phase and the gaseous phase from the starting fluid (for example a tube provided with baffles, or else with a tube comprising a porous material).
  • This tank is equipped according to a preferred mode of two level sensors: a low level sensor and a high level sensor.
  • two level sensors it is also possible to use according to the invention any level measurement technique which will give the measurement of the level of liquid in the tank (and in particular for example a measurement of pressure difference between the top and the bottom of the tank, or a rod dipped in the cryogenic liquid and connected to a capacitance measurement, or an ultrasonic measurement of the distance between the top of the tank and the surface of the liquid etc .).
  • this level measurement will be coupled to low and high thresholds.
  • This level measuring device will be dimensioned according to the range of the flow of liquid to feed the equipment downstream.
  • a flow sensor of the liquid phase located lower (in height) and downstream with respect to the phase separator.
  • This flowmeter can be turbine type, vortex or any other technology.
  • a flow sensor of the gas phase which may be associated with a temperature sensor and a pressure sensor, gas phase from the upper part of the vessel (or other phase separator).
  • This flowmeter can be turbine type, vortex or any other technology For more precision, the measurement can be compensated for temperature and pressure.
  • a gas valve located downstream or upstream of the flow sensor of the gas phase mentioned above when it is present (depending on the case, depending on the characteristics of the gas flow meter when it is present, the gas valve may be located upstream or downstream of this sensor).
  • liquid valve located downstream or upstream of the liquid flowmeter located on the pipe leading this liquid phase to a downstream equipment (again, depending on the case, depending on the characteristics of the liquid flow meter, the liquid valve when it is present may be located upstream or downstream of the flowmeter).
  • This liquid valve is closed when the liquid level in the phase separator tank is below a minimum low limit.
  • the fluid outlet passing through the liquid flow meter will be prohibited when the flowmeter will not be loaded with free liquid, without gas. Measurement of the gaseous phase by the liquid flow meter is therefore excluded thanks to this arrangement.
  • this valve To avoid a sudden closure of this valve, its closure will preferably be carried out progressively near the low level (level of liquid in the tank approaching the lower limit). During closing of the liquid valve, the gas valve remains open.
  • the closure information of this valve corresponding to a fault diagnostic liquid nitrogen supply system, this information can be used advantageously by the user to assess the situation and remedy if necessary to this power failure.
  • the gas valve downstream (or upstream) of the gas flowmeter is closed when the liquid level in the phase separator is higher than the level of the high limit
  • the output of the liquid phase by the gas flow meter will therefore be prohibited and a measurement Erroneous liquid phase by the gas flow meter is therefore excluded by this provision.
  • the closing of the gas valve is preferably carried out progressively near the high level (level of liquid in the tank approaching the upper limit). During closing of the gas valve, the liquid valve remains open.
  • the present invention thus relates to a flow meter for two-phase liquid / gas cryogenic fluids, comprising:
  • a liquid / gas phase separator preferably a tank, in the upper part of which the cryogenic liquid is admitted;
  • a liquid flow sensor located on a liquid line in fluid communication with the lower part of the tank, the tank being placed in the upper position in the space relative to the liquid flow sensor;
  • a gas line in fluid communication with the upper part of the tank, provided with a gas valve
  • a device for measuring the liquid level in the tank preferably comprising two level sensors: a low level sensor and a high level sensor.
  • the flow meter according to the invention may also adopt one or more of the following characteristics: the flowmeter furthermore comprises:
  • a vertical or substantially vertical tube connects the lower part of the separator (tank) to the said liquid line provided with the liquid flow sensor, materializing the height of the separator in the space, and the flow meter comprises, around all or part of the length of said vertical tube a concentric tube, providing between the vertical tube and the concentric tube a concentric cavity, adapted to receive liquid from the separator (tank), while the evaporation gases of this cavity are able to be returned to the upper part of the separator.
  • baffles all or part of the height of the concentric cavity is provided with baffles.
  • the invention also relates to a method for measuring the flow of liquid / gas cryogenic two-phase fluids, using a flow meter according to the invention.
  • FIG. 1 is a partial schematic view of an embodiment a device for measuring flow rates of two-phase fluids according to the invention.
  • FIG. 2 is a partial schematic view of another embodiment of a device for measuring two-phase fluid flow rates according to the invention.
  • FIG. 3 is a partial schematic view of a third embodiment of a device for measuring two-phase fluid flow rates according to the invention.
  • Figures 4 to 6 show comparative behavior of the three devices of Figures 1, 2 and 3.
  • the two-phase fluid for example liquid nitrogen
  • a tank 1 acting as a phase separator (as mentioned above, it would be possible to use other embodiments of phase separators that such a tank): the tank is installed in the high position (height H: typically between 1 and 6 meters) in the installation compared to a flow sensor 21 of the liquid phase, sensor 21 positioned on the channel leading this phase to a downstream equipment.
  • the tank 1 is here equipped with two level sensors: a low level sensor 3 and a high level sensor 2.
  • a low level sensor 3 As noted above, as an alternative to these two level sensors can also be used a level measuring device that will measure the level of liquid in the tank.
  • the flow sensor 21 (flowmeter) of the liquid phase can be turbine type, vortex or any other technology.
  • a liquid valve 22 is present, here downstream of the liquid flow meter 21, on the pipe leading this liquid phase to a downstream equipment (depending on the type of liquid flowmeter 21 chosen , the liquid valve 22 could also be positioned upstream of this flowmeter 21).
  • a gas valve 12 located on a pipe in fluid communication with the upper part of the vessel (or other phase separator).
  • a flow sensor 1 1 of the gas phase (optionally comprising a temperature probe and a pressure sensor) is also present, located here upstream of the valve 12 (as already mentioned according to the technology of flow meter 1 1 adopted, the van ne 1 2 could also be position born upstream of the flowmeter).
  • This flowmeter may be turbine type, vortex or be any other technology. For accuracy, the measurement can be compensated for temperature and pressure.
  • the liquid valve 22 is automatically closed when the liquid level in the phase separator is below a minimum low limit (sensor 3).
  • the fluid outlet passing through the liquid flow meter 21 will therefore be prohibited when the flowmeter will not be loaded with free liquid, without gas.
  • this valve 22 Preferably, to avoid a sudden closure of this valve 22, its closure will preferably be performed by an automaton progressively approaching the low level (level of liquid in the tank approaching the lower limit resulting in a progressive closure).
  • the gas valve 12 During closure of the liquid valve 22, the gas valve 12 remains open.
  • the closure information of this valve corresponding to a fault diagnosis of nitrogen supply liquefied system, this information can be used advantageously by the user to study the situation and if necessary to intervene to remedy this. power failure.
  • the gas valve 12 downstream of the gas flow meter 1 1 is automatically closed when the liquid level in the phase separator is greater than the level of the high limit (sensor 2).
  • the output of the liquid phase by the gas flow meter will therefore be prohibited and an erroneous measurement of the liquid phase by the gas flow meter is therefore excluded.
  • the closing of the gas valve is preferably carried out by an automaton progressively near the high level (liquid level in the tank approaching the high imitite resulting in a gradual closure).
  • the gas phase extracted via the assembly 1 1/12 can be recovered to be directed to a user station of such a gas phase on the site.
  • FIG. 1 also illustrates the optional presence of a valve 30 on the pipe bringing the two-phase fluid to the vessel 1, an optional but interesting presence when it is useful to control the pressure of the fluid at the outlet of the flow meter (and thus feeding the downstream station): the valve 30 is added to the inlet installation of the separator 1, associated with a pressure sensor 13 installed in the upper part of the phase separator, this valve 30 will be automatically closed when the pressure will be lower than the set point and open in other cases.
  • all or part of the device is isolated, in the sense that all the tubes and tanks containing the cryogen in its liquid form must be isolated to avoid spraying it.
  • the insulation may be of multiple type, more or less expensive (foam, rock wool, vacuum insulation or other), bearing in mind that if the system is insufficiently isolated, it will consume cryogen unnecessarily, even if obtaining a precise measurement is nonetheless obtained.
  • this vertical tube must be properly isolated, preferably under vacuum, to maintain the effect of desired cooling according to the invention by the height of the tube.
  • Figure 2 illustrates indeed another embodiment of a device according to the invention, the elements identical to those present in the mode of Figure 1 bear the same reference.
  • This mode of Figure 2 then differs by the presence of a concentric tube 40 around the vertical tube from the tank to join the liquid flow meter, or at least around a large portion of this verticality.
  • a concentric cavity which is filled with liquid coming from the tank 1, while the evaporation gases of this cavity are returned to the tank 1 (a tube connects the top of the cavity to the gas phase of the separator 1), so there is obviously no overall fluid loss, the flow rate of Nitrogen taken to supply the between-tubes is vaporized and is counted as a nitrogen gas flow rate by the sensor 1 January.
  • the cavity is equipped with a level sensor 42, which controls the opening of a liquid fluid supply valve 41, making it possible to maintain a substantially constant level of liquid in this cavity by returning the evaporation gases to phase separator.
  • the role of the concentric tube is to create a zone with a lower pressure, therefore at a lower temperature, to prevent the liquid in the center from heats.
  • the pressure is lower than the pressure in the central tube, the outside temperature is therefore slightly lower than the internal temperature.
  • the temperature at the bottom of the jacket is slightly higher at the bottom than at the top.
  • FIG. 3 illustrates another embodiment of a device according to the invention, the elements identical to those present in the mode of FIG. 2 bear the same reference.
  • This mode of FIG. 3 then differs in that it has been sought to further improve the cold keeping system provided by the concentric tube of FIG. 2, to prevent the external liquid allowing the central tube to remain cold. warms up under the effect of the pressure of the height of the tube.
  • the cavity space (between the two concentric tubes) was arranged using baffles. Only the first (highest) baffle is supplied with liquid, when it overflows second baffle filled etc .... until the last baffle that will then overflow into the bottom of the cavity.
  • the bottom of the cavity is equipped with a level probe 42, which controls the valve 41 supply of the first baffle.
  • This phenomenon of flash corresponds to a rapid vaporization of a part of a fluid at equilibrium boiling at the moment when its pressure drops.
  • Installing the phase separator high enough creates a pressure related to the height of the liquid loaded in the pipework.
  • the pressure losses due to the pipe and the flow sensor 21 are often less than 0.1 bar, a liquid height of about 1 m-1, 20 m for liquid nitrogen by example will be sufficient to compensate for them.
  • the device according to the invention therefore precisely measures the flow rate of gaseous fluid on the one hand, and the flow rate of liquid fluid (franc) on the other hand: these flow rates are volume flow rates, which can be converted into mass flow rates if the precaution has been taken to add temperature and pressure probes and that the necessary calculation of correction (well known to those skilled in the art of gases) is carried out.
  • the flowmeter configuration proposed by the present invention offers remarkable performance and in particular accurate measurement of the flow rate of a two-phase fluid without a pressurizing device, whatever the conditions of pressure and pressure. temperature of it.
  • these remarkable performances are to relate to the combined implementation of the following measures:
  • the charge height of the cryogenic liquid proposed by the present invention makes the liquid less sensitive to heat input and vaporization. In a way, it is sub-cooled with the same size and with the same pressure to perform pressurizations as in the prior art, this by a simple but incredibly effective configuration, where it is possible to submits the liquid to gravity through vertical piping (or substantially vertical) but in any case descending into space, of sufficient height to create the pressure we need.

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Abstract

L'invention concerne un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques gaz/liquide comprenant: - un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve (1), dans la partie supérieure de laquelle est admis le liquide cryogénique; - un capteur de débit liquide (21), situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute (H) dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide (21); - une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'une vanne gaz (12); et - un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve, comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur (3) de niveau bas et un capteur (2) de niveau haut.

Description

Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques gaz/liquide
La présente invention concerne le domaine des débitmètres pour fluides diphasiques gaz/liquide.
La mesure de débit d'un fluide diphasique composé d'un liquide et d'un gaz est une opération difficile lorsque l'on cherche à mesurer un débit massique. En effet, tous les capteurs mesurant un débit sont perturbés lorsqu'ils sont mis en présence d'un liquide diphasique dont la densité change continuellement. Ceci est en particulier valable pour la mesure de débit des fluides cryogéniques comme l'azote liquide.
Sur le marché de l'instrumentation on trouve différents systèmes de mesure de débit, certains de ces débitmètres sont basés sur la mesure de la vitesse du fluide. Il s'agit par exemple :
- des débitmètres dits « à turbine » : une turbine est installée dans le fluide en mouvement et la vitesse de rotation de la turbine donne une image de la vitesse du fluide.
- des débitmètres dits « à tube de Pitot » : deux tubes sont installés dans le fluide en mouvement à mesurer. Un tube est installé perpendiculairement au débit et donne la pression statique, l'autre est installé parallèlement au débit et donne la pression dynamique totale. La différence de pression dynamique entre ces deux mesures permet de calculer le débit.
- des débitmètres dits « à ultrasons » : certains utilisent l'effet Doppler (analyse de la fréquence réfléchie par les particules du fluide qui donne une image de la vitesse de la particule et donc du fluide) tandis que d'autres mesurent une différence de temps de parcours d'une onde ultrasonore de l'amont vers l'aval et de l'aval vers l'amont (image de la vitesse du fluide).
Dans tous ces cas, lorsque la densité du fluide varie continuellement, le passage du débit volumique au débit massique est délicat à déterminer précisément. On trouve également sur le marché d'autres systèmes qui utilisent la mesure de perte de charge (perte de pression) pour en déduire le débit. Il s'agit par exemple des débitmètres à orifice calibré qui mesurent la perte de charge en amont et en aval d'un orifice calibré placé dans le fluide en mouvement. La mesure de ces appareils est très perturbée lorsque le fluide n'a pas une densité constante et lorsque le taux de gaz augmente dans le liquide.
On trouve également sur le marché les débitmètres dits « électromagnétiques », qui sont applicables seulement aux fluides ayant une conductivité électrique suffisante puisqu'ils utilisent le principe de l'induction électromagnétique : un champ électromagnétique est appliqué au fluide et la force électromotrice créée (force proportionnelle au débit du fluide) est mesurée. Dans le cas de la mesure de débits de fluides cryogéniques (non conducteurs) tel que l'azote liquide, ce principe n'est pas applicable.
Les débitmètres à effet vortex sont quant à eux basés sur le phénomène de génération de tourbillons que l'on constate derrière un corps fixe non profilé placé dans un fluide en mouvement (effet Karman). La mesure des variations de pression créées par ces tourbillons donne la fréquence des tourbillons, celle-ci étant proportionnelle à la vitesse du fluide lorsque le fluide garde des propriétés constantes. Lorsque la densité du fluide varie, ici encore la mesure va être faussée.
On peut encore citer les débitmètres thermiques, qui sont eux basés sur la mesure de l'augmentation de température créée par un apport constant d'énergie. Un système à deux sondes de température mesure la différence de température entre le débit entrant et sortant du débitmètre. Entre ces deux sondes, une résistance apporte une quantité connue d'énergie. Lorsque l'on connaît la capacité calorifique du fluide en mouvement, le débit peut être calculé à partir de ces mesures. Cependant, ce principe n'est pas applicable aux liquides diphasiques dont le comportement thermique (vaporisation du liquide) est totalement différent des liquides monophasiques.
Seul le débitmètre massique à effet Coriolis donne une mesure plus précise du débit massique d'un fluide. Le débitmètre est constitué d'un tube en U ou oméga ou courbe dans lequel circule le fluide. Le U est soumis à une oscillation latérale et la mesure du déphasage des vibrations entre les deux branches du U donne une image du débit massique. Cependant, son coût est assez élevé et lorsqu'il est utilisé à des températures très basses (l'azote liquide à -196°C par exemple) et avec un fluide dont la densité varie énormément et comportant une partie importante en phase gazeuse, il y a nécessité d'isoler fortement le système (il faut une isolation performante telle qu'une isolation sous vide par exemple) et malgré ces précautions, les mesures sont parfois faussées.
Comme on peut le constater à la lecture de ce qui précède, la mesure du débit d'un liquide diphasique et en particulier la mesure du débit d'un fluide cryogénique tel l'azote liquide, avec une précision d'au moins 3% comme cela est couramment demandé dans l'industrie n'est pas aisée à réaliser avec les systèmes actuellement disponibles sur le marché.
La littérature a alors proposé d'autres types de solutions, parmi lesquelles les systèmes basés sur le principe de la mesure du niveau d'un liquide s'écoulant dans un canal juste avant une restriction de la section de passage. Ce système, décrit dans le document US- 5 679 905, fonctionne en substance comme suit : le fluide diphasique est d'abord séparé en une phase gazeuse qui n'est pas mesurée et une phase liquide dont le débit est mesuré. Ce liquide passe dans un canal qui présente une réduction de section en sa sortie. Plus le débit est important, plus le niveau de liquide dans le canal est important et une mesure de niveau dans ce canal permet de déduire le débit instantané. Comme on le constate, ce système ne prend pas en compte le débit gazeux qui dans certaines applications est négligeable. Par contre, ce système permet de mesurer avec une précision relativement bonne le débit de liquide sans être perturbé par le taux de gaz ce qui est le but recherché.
On remarquera au passage que pour que ce système fonctionne correctement, il doit être bien isolé des entrées de chaleur qui pourraient vaporiser une partie du liquide isolé et ainsi perturber la mesure de niveau. C'est ainsi que une isolation sous vide est utilisée dans ce système.
On remarquera aussi que pour que le système fonctionne, il doit y avoir la présence de deux phases dans le débitmètre ce qui interdit son fonctionnement avec un liquide sous refroidi (liquide franc sans phase gazeuse).
Dans le cas où la mesure des débits de liquide et de gaz est nécessaire, on utilise parfois un système qui reprend le même principe de séparation des phases avant la mesure de débit.
Ainsi, des appareils présentant le dispositif qui suit ont été proposés dans la littérature et commercialisés :
- Le liquide diphasique passe d'abord dans un séparateur de phase qui sépare la phase liquide de la phase gazeuse.
- La phase gazeuse est dirigée vers un débitmètre volumique (type turbine par exemple) avec une compensation en température.
- La phase liquide est aussi dirigée vers un débitmètre volumique (type turbine par exemple)
- Ces deux mesures de débit sont ensuite converties en mesure de masse et ajoutées.
A priori, ce dispositif est plus coûteux que le précédent, on peut penser qu'il sera très précis. Dans la pratique, on constate que la mesure du débit liquide est entachée d'erreurs qui fluctuent suivant les conditions de pression et de température du liquide entrant dans le débitmètre. Ces erreurs de mesure sont dues à la présence de gaz dans la phase liquide qui traverse le débitmètre. En effet, lorsque la liquide quitte le séparateur de phase pour aller vers le débitmètre, une partie de l iqu ide se vaporise soit à cause des entrées de chaleur soit à cause de la chute de pression due à une remontée du liquide soit à cause d'une chute de pression due à la perte de charge créée par le débitmètre lui-même.
Enfin, pour mesurer le débit d'un liquide cryogénique, on peut aussi s'affranchir des problèmes cités ci-dessus en créant des conditions de pression et de température différentes de la pression d'équilibre (limite d'ébullition). Dans ce domaine, la méthode la plus couramment utilisée est l'augmentation de la pression du liquide. Dans la pratique, on installera par exemple un débitmètre en sortie d'une pompe cryogénique (coté haute pression). Dans ce cas, le liquide est par exemple pompé dans une cuve ou il est à l'équilibre et il est monté en pression par la pompe presque sans augmentation de température. Les tuyauteries et le débitmètre qui suivent peuvent alors créer une perte de charge, cela n'aura pas pour conséquence de vaporiser le liquide pourvu que la perte de charge soit nettement inférieure à l'augmentation de pression créée par la pompe.
Dans ce cas, on peut utiliser un débitmètre classique type vortex, turbine, ou autre, dans la mesure où il supporte les basses températures.
Cette technique est parfaitement adaptée à la mesure de débit des camions de livraison d'azote par exemple. Elle est fiable et est d'un cout acceptable dans la mesure où la pompe cryogénique est requise pour d'autres raisons.
En revanche, lorsque qu'il faut mesurer le débit d'azote liquide à un point où il n'y a pas de pompe cryogénique, alors cette technique n'est plus applicable en pratique.
La présente invention s'attache alors à proposer une nouvelle solution simple et fiable de mesure du débit de fluides diphasiques gaz/liquide cryogénique, permettant de solutionner tout ou partie des problèmes techniques évoqués ci-dessus.
Comme on le verra plus en détails dans ce qui suit la solution proposée ici peut se résumer ainsi : - Le fluide peut arriver à une pression variable mais généralement faible (typiquement entre 1 et 6 bars), et dans des conditions de pression et température à priori non connues. En particulier, la phase liquide peut être à l'équilibre (à la saturation).
- Le fluide peut être composé d'une phase liquide et d'une phase gazeuse (liquide diphasique).
- Aucun dispositif permettant d'augmenter la pression (pompe) n'est requis (ni disponible) sur l'installation.
- Le dispositif de mesure selon l'invention est positionnable en ligne, sur la canalisation d'alimentation d'un appareil cryogénique consommant le liquide cryogénique tel un tunnel cryogénique, une baratte etc ..
Le dispositif proposé comprend les éléments suivants :
- Une cuve jouant le rôle de séparateur de phases installée en position haute dans l'installation (typiquement dans la gamme préférée entre 1 et 6 mètres) par rapport à un capteur de débit de la phase l iqu ide positionné sur une canalisation amenant cette phase liquide à un équipement en aval du dispositif de mesure de débit (tel qu'un tunnel comme on l'a dit plus haut).
On pourrait utiliser bien entendu en lieu et place d'une cuve tout autre dispositif permettant de séparer la phase liquide et la phase gazeuse du fluide de départ (par exemple un tube muni de chicanes, ou encore d'un tube comportant une matière poreuse).
Cette cuve est équipée selon un mode préféré de deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut. A titre d'alternative à ces deux capteurs de niveau on peut également utiliser selon l'invention toute technique de mesure de niveau qui donnera la mesure du niveau de liquide dans la cuve (et notamment par exemple une mesure de différence de pression entre le haut et le bas de la cuve, ou une tige plongée dans le liquide cryogénique et reliée à une mesure de capacitance, ou encore une mesure par ultrasons de la distance entre le haut de la cuve et la surface du liquide etc....). Dans ce cas, cette mesure de niveau sera couplée à des seuils bas et haut. Ce dispositif de mesure de niveau sera dimensionné en fonction de la gamme du débit de liquide devant alimenter l'équipement en aval.
- Un capteur de débit de la phase liquide situé plus bas (en hauteur) et en aval par rapport au séparateur de phase. Ce débitmètre peut être de type à turbine, à effet vortex ou toute autre technologie.
- Avantageusement, est présent un capteur de débit de la phase gaz auquel pourra être associée une sonde de température et une sonde de pression, phase gaz issue de la partie supérieure de la cuve (ou autre séparateur de phase). Ce débitmètre peut être de type à turbine, à effet vortex ou être de toute autre technologie Pour plus de précision, la mesure pourra être compensée en température et en pression.
- Une vanne gaz, située en aval ou en amont du capteur de débit de la phase gaz ci-dessus évoqué quand celui-ci est présent (selon les cas, en fonction des caractéristiques du débitmètre gaz quand il est présent, la vanne gaz pourra se situer en amont ou en aval de ce capteur).
- Avantageusement, est présente une vanne liquide, située en aval ou en amont du débitmètre liquide situé sur la canalisation amenant cette phase liquide à un équipement en aval (ici encore, selon les cas, en fonction des caractéristiques du débitmètre liquide, la vanne liquide quand elle est présente pourra se situer en amont ou en aval du débitmètre).
Cette vanne liquide est fermée lorsque le niveau de liquide dans la cuve séparateur de phase est inférieur à une limite basse minimum. La sortie de fluide en passant par le débitmètre liquide sera donc interdite lorsque le débitmètre ne sera pas en charge avec du liquide franc, sans gaz. Une mesure de phase gazeuse par le débitmètre liquide est donc exclue grâce à cette disposition.
Pour éviter une fermeture brutale de cette vanne, sa fermeture sera préférentiellement réalisée progressivement à l'approche du niveau bas (niveau de liquide dans la cuve se rapprochant de la limite basse). Pendant la fermeture de la vanne liquide, la vanne gaz reste ouverte. L'information de fermeture de cette vanne correspondant à un diagnostic de défaut d'alimentation en azote liquide du système, cette information pourra être utilisée avantageusement par l'utilisateur pour évaluer la situation et remédier le cas échéant à ce défaut d'alimentation.
- La vanne gaz en aval (ou amont) du débitmètre gaz est fermée lorsque le niveau de liquide dans le séparateur de phase est supérieur au niveau de la limite haute La sortie de la phase liquide par le débitmètre gaz sera donc interd ite et une mesu re erronée de la phase liquide par le débitmètre gaz est donc exclue grâce à cette disposition. Pour éviter une fermeture brutale de cette vanne gaz, la fermeture de la vanne gaz est préférentiel lement réalisée progressivement à l'approche du niveau haut (niveau de liquide dans la cuve se rapprochant de la limite haute). Pendant la fermeture de la vanne gaz, la vanne liquide reste ouverte.
- L'ensemble est isolé thermiquement.
La présente invention concerne alors un débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement une cuve, dans la partie supérieure de laquelle est admis le liquide cryogénique;
- un capteur de débit liquide, situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse de la cuve, la cuve étant placée en position haute dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide ;
- une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'une vanne gaz;
- un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve, comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur de niveau bas et un capteur de niveau haut.
Le débitmètre conforme à l'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - le débitmètre comprend de plus :
- une vanne liquide, en amont ou en aval du débitmètre liquide sur la dite canalisation liquide ;
- un capteur de débit de la phase gaz issue de la partie supérieure de la cuve, situé sur ladite canalisation gaz en amont ou en aval de ladite vanne gaz.
- un tube vertical ou sensiblement vertical relie la partie basse du séparateur (cuve) à la dite canalisation liquide munie du capteur de débit liquide, matérialisant la hauteur du séparateur dans l'espace, et le débimètre comprend, autour de tout ou partie de la longueur dudit tube vertical un tube concentrique, ménageant entre le tube vertical et le tube concentrique une cavité concentrique, apte à recevoir du liquide provenant du séparateur (cuve), tandis que les gaz d'évaporation de cette cavité sont aptes à être renvoyés vers la partie supérieure du séparateur.
- tout ou partie de la hauteur de la cavité concentrique est munie de chicanes.
L'invention concerne également une méthode de mesure du débit de fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, utilisant un débitmètre conforme à l'invention.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement dans la description suivante, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés pour lesquels: la figure 1 est une vue schématique partielle d'un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention.
la figure 2 est une vue schématique partielle d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention. la figure 3 est une vue schématique partielle d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de mesure de débits de fluides diphasiques conforme à l'invention.
les figures 4 à 6 montrent des comparatifs de comportement des trois dispositifs des figures 1 , 2 et 3.
On reconnaît sur la figure 1 les éléments suivants :
- le fluide diphasique, par exemple de l'azote liquide arrive et est admis dans la partie supérieure d'une cuve 1 , jouant le rôle de séparateur de phases (comme on l'a signalé plus haut, on pourrait util iser d'autres modes de réalisation de séparateurs de phases qu'une telle cuve) : la cuve est installée en position haute (hauteur H : typiquement entre 1 et 6 mètres) dans l'installation par rapport à un capteur de débit 21 de la phase liquide, capteur 21 positionné su r u ne canal isation amenant cette phase l iqu ide à u n équipement en aval.
- on visualise alors bien la présence d'un tube vertical (ou sensiblement vertical), descendant dans l'espace, et reliant la partie basse de la cuve à la canalisation amenant la phase liquide à un équipement en aval.
- la cuve 1 est ici équipée de deux capteurs de niveau : un capteur 3 de niveau bas et un capteur 2 de niveau haut. Comme on l'a signalé plus haut, en variante à ces deux capteurs de niveau on peut également utiliser un dispositif de mesure de niveau qui donnera la mesure du niveau de liquide dans la cuve.
- le capteur de débit 21 (débitmètre) de la phase liquide peut être de type à turbine, à effet vortex ou de toute autre technologie.
- selon un mode avantageux de mise en œuvre de l'invention, une vanne liquide 22 est présente, ici en aval du débitmètre liquide 21 , sur la canalisation amenant cette phase liquide à un équipement en aval (selon le type de débitmètre liquide 21 choisi, la vanne liquide 22 pourrait également être positionnée en amont de ce débitmètre 21 ).
- une vanne gaz 12, située sur une canalisation en communication de fluide avec la partie supérieure de la cuve (ou autre séparateur de phase). - Selon un mode avantageux de mise en œuvre de l'invention, un capteur de débit 1 1 de la phase gaz (comprenant le cas échéant une sonde de température et une sonde de pression) est également présent, situé ici en amont de la vanne 12 (comme on l'a déjà dit selon la technologie de débitmètre 1 1 adoptée, la van ne 1 2 pourra it aussi être position née en amont d u débitmètre). Ce débitmètre peut être de type à turbine, à effet vortex ou être de toute autre technologie. Pou r pl us de précision , la mesure pou rra être compensée en température et en pression.
- Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, la vanne liquide 22 est automatiquement fermée lorsque le niveau de liquide dans le séparateur de phase est inférieur à une limite basse minimum (capteur 3). La sortie de fluide en passant par le débitmètre liquide 21 sera donc interdite lorsque le débitmètre ne sera pas en charge avec du liquide franc, sans gaz.
De façon préférée, pour éviter une fermeture brutale de cette vanne 22, sa fermeture sera préférentiellement réalisée par un automate progressivement à l'approche du niveau bas (niveau de liquide dans la cuve se rapprochant de la limite basse entraînant une fermeture progressive).
Pendant la fermeture de la vanne liquide 22, la vanne gaz 12 reste ouverte. L'information de fermeture de cette vanne correspondant à un d iagnostic de défaut d 'al imentation en azote l iqu ide du système, cette information pourra être utilisée avantageusement par l'utilisateur pour étudier la situation et le cas échéant intervenir pour remédier à ce défaut d'alimentation.
- Selon un mode de mise en œuvre de l'invention, la vanne gaz 12 en aval du débitmètre gaz 1 1 est automatiquement fermée lorsque le niveau de liquide dans le séparateur de phase est supérieur au niveau de la limite haute (capteur 2). La sortie de la phase liquide par le débitmètre gaz sera donc interdite et une mesure erronée de la phase liquide par le débitmètre gaz est donc exclue. De façon préférée, pour éviter une fermeture brutale de cette vanne gaz 12, la fermeture de la vanne gaz est préférentiellement réalisée par un automate progressivement à l'approche du niveau haut (niveau de liquide dans la cuve se rapprochant de la l im ite haute entraînant une fermeture progressive).
Pendant la fermeture de la vanne gaz 12, la vanne liquide 22 reste ouverte.
On notera que la phase gaz extraite via l'ensemble 1 1/12 peut être récupérée pour être dirigée vers un poste utilisateur d'une telle phase gazeuse sur le site.
La figure 1 illustre par ailleurs la présence optionnelle d'une vanne 30 sur la canalisation amenant le fluide diphasique à la cuve 1 , présence optionnelle mais intéressante lorsqu'il est utile de contrôler la pression du fluide en sortie du débitmètre (et donc alimentant le poste aval) : la vanne 30 est ajoutée à l'installation en entrée du séparateur 1 , associée à un capteur de pression 13 installé dans la partie haute du séparateur de phase, cette vanne 30 sera automatiquement fermée lorsque la pression sera inférieure à la consigne et ouverte dans les autres cas.
Comme signalé plus haut, tout ou partie du dispositif est isolé, en ce sens que tous les tubes et cuves contenant le cryogène sous sa forme liquide doivent être isolés pour éviter de le vaporiser. L'isolation pourra être de type multiple, plus ou moins onéreuse (mousse, laine de roche, isolation sous vide ou autre), en gardant à l'esprit que si le système est insuffisamment isolé, il va consommer du cryogène inutilement, même si l'obtention d'une mesure précise est néanmoins obtenue.
Et dans le cas particulier du tube vertical partant de la cuve pour rejoindre le débitmètre liquide, tube matérialisant la hauteur de la cuve dans l'installation, ce tube vertical devra être correctement isolé, préférentiellement sous vide, afin de conserver l'effet de sous refroidissement recherché selon l'invention par la hauteur du tube.
Comme on le verra ci-dessous, si le tube descendant est insuffisamment isolé, on peut proposer une amélioration de cette isolation par l'installation d'un tube concentrique formant une cavité cryogénisable autour du tube descendant, comme proposé dans le cadre des figures 2 et 3 ci-après.
La figure 2 illustre en effet un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, les éléments identiques à ceux présents dans le mode de la figure 1 portent la même référence.
Ce mode de la figure 2 diffère alors par la présence d'un tube concentrique 40 autour du tube vertical partant de la cuve pour rejoindre le débitmètre liquide, ou à tout le moins autour d'une large portion de cette verticalité.
Cette option de présence du tube concentrique est tout particulièrement avantageuse lorsque le dispositif doit mesurer avec précision un débit intermittent, le tube descendant du séparateur de phase jusqu'au débitmètre liquide est alors grâce à cette disposition que nous allons maintenant détailler, maintenu en froid.
Ces débits intermittents (faible débit ou pas de débit pendant un temps donné) posent des difficultés techniques toutes particulières puisque même une toute petite entrée de chaleur peut vaporiser l'azote qui se trouve dans le tube central descendant (car l'azote circule peu ou pas à certains moments et cette faible entrée de chaleur n'est pas répartie sur un grand débit d'azote circulant).
Plus précisément, comme bien illustré sur la figure 2, entre le tube descendant du séparateur de phase jusqu'au débitmètre liquide et le deuxième tube concentrique 40 est naturellement aménagée une cavité concentrique, qui est remplie de liquide provenant de la cuve 1 , tandis que les gaz d'évaporation de cette cavité sont renvoyés vers la cuve 1 (un tube relie le haut de la cavité à la phase gaz du séparateur 1 ), il n'y a donc bien évidemment pas de perte de fluide global, le débit d'azote prélevé pour alimenter l'entre-deux tubes se vaporise et est comptabilisé comme un débit d'azote gazeux par le capteur 1 1 . La cavité est équipée d'un capteur de niveau 42, qui commande l'ouverture d'une vanne d'alimentation en fluide liquide 41 , permettant de maintenir un niveau sensiblement constant de liquide dans cette cavité en faisant retourner les gaz d'évaporation au séparateur de phase.
Cet arrangement permet de maintenir le liquide dont le débit doit être mesuré à l'état de liquide sous refroidi : le rôle du tube concentrique étant de créer une zone à pression plus faible donc à une température plus basse pour éviter que le liquide au centre ne se réchauffe. En l'occurrence, dans la double enveloppe créée par les deux tubes concentriques, la pression est inférieure à la pression régnant dans le tube central, la température extérieure est donc légèrement inférieure à la température intérieure. Et du fait de la pression de hauteur de liquide dans la double enveloppe, la température en bas de la double enveloppe est légèrement plus haute en bas qu'en haut.
En d'autres termes, grâce à cet arrangement concentrique, lorsqu'il y a des entrées de chaleurs (et il y a toujours des entrées de chaleurs), elles arrivent par l'extérieur et vaporisent l'azote contenue entre les deux tubes concentriques. Dès lors, l'azote circulant dans le tube central descendant, lui, ne voit pas cette entrée de chaleur, c'est l'azote « extérieur » qui absorbe ces entrées de chaleurs et ne laisse rien passer vers l'intérieur. On peut dire alors que les entrées de chaleur dans le tube central sont nulles. Il n'y a donc pas de réchauffement du fluide qui descend dans le tube central.
La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, les éléments identiques à ceux présents dans le mode de la figure 2 portent la même référence.
Ce mode de la figure 3 diffère alors en ce que l'on a cherché à encore améliorer le système de maintien en froid apporté par le tube concentrique de la figure 2, pour éviter que le liquide extérieur permettant le maintien en froid du tube central ne se réchauffe sous l'effet de la pression de la hauteur du tube. Pour ce faire, comme illustrée sur la figure 3, l'espace de la cavité (entre les deux tubes concentriques) a été aménagé à l'aide de chicanes. Seule la première chicane (la plus haute) est alimentée en liquide, lorsqu'elle déborde la deuxième chicane se remplie etc.... jusqu'à la dernière chicane qui débordera alors dans le fond de la cavité.
Le fond de la cavité est équipé d'une sonde de niveau 42, qui permet de piloter la vanne 41 d'alimentation de la première chicane.
Ce mode de la figure 3 perfectionne alors encore quelque peu le mode de la figure 2 en diminuant la pression en bas de la double enveloppe, la pression du liquide est partout la même et la température est maintenue très basse même en bas du système.
Les expérimentations menées par la Demanderesse ont permis d e montrer que grâce à l'un ou l'autre de ces modes de réalisation :
- on obtient une mesure très précise de la phase gaz passant dans le débitmètre, la mesure n'étant jamais perturbée par une arrivée de liquide, ceci même quand le débitmètre est alimenté en liquide sous-refroidi.
- d'autre part, pour la mesure du débit de liquide, le fait de disposer le séparateur de phase beaucoup plus haut que le capteur de débit liquide 21 dans l'espace permet d'éliminer le phénomène de « flash » dans la tuyauterie entre le séparateur de phase et le capteur de débit liquide 21 ainsi que dans le capteur lui-même.
Ce phénomène de flash correspond à une vaporisation rapide d'une partie d'un fluide à l'équilibre d'ébullition au moment où sa pression chute. Le fait d'installer le séparateur de phase assez haut crée une pression liée à la hauteur de liquide en charge dans la tuyauterie. Or, on s'aperçoit en pratique que les pertes de charges dues à la tuyauterie et au capteur de débit 21 étant souvent inférieures à 0.1 bar, une hauteur de liquide d'environ 1 m-1 ,20 m pour l'azote liquide par exemple sera suffisante pour les compenser.
Par sécurité, on peut même augmenter la hauteur de charge pour garantir l'absence de phénomène de flash. On obtiendra ainsi en fait un liquide sous refroidi grâce à l'augmentation de pression.
- le dispositif selon l'invention mesure donc précisément le débit de fluide gazeux d'une part, et le débit de fluide liquide (franc) d'autre part : ces débits sont des débits volumiques, qui peuvent être convertis en débits massiques si l'on a pris la précaution d'ajouter des sondes de température et de pression et que l'on effectue le nécessaire calcul de correction (bien connu de l'homme du métier des gaz).
Munis de ces deux mesures corrigées de débit, il est possible de faire tous les calculs souhaités de taux de diphasique dans le mélange liquide/gaz, d'énergie frigorifique disponible par litre de mélange etc....
Le comportement comparatif des dispositifs décrits dans le cadre des figures 1 à 3 est explicité ci-après.
Le tableau ci-dessous montre l'effet de la hauteur de liquide sur la température d'ébullition d'un fluide cryogénique (azote liquide) pris au départ à 2 bars relatif:
Hauteur de liquide de Pression relative Température densité 752g/litre (mm) obtenue avec la hauteur d'ébullition (K)
de liquide (barg)
0 2 87.9
1330 2.1 88.3
2660 2.2 88.6
3990 2.3 89.0
5320 2.4 89.3
6650 2.5 89.7
Sur la base des données de ce tableau, les conditions opératoires observées pour chacun des modes des figures 1 à 3 sont détaillées sur les figures 4 à 6 annexées, auxquelles on peut apporter les compléments suivants :
- figure 4 - au point X :
- Lorsque le fluide circule au point X on obtient P = 2.3barg / T = 87.9K et un faible risque d'ébullition. Le fluide est froid car il arrive de la cuve en hauteur où les conditions de pression et température sont P=2barg T=87.9K. Dans ces conditions, il faut une chute de pression conséquente (0.3bar) pour créer les conditions d'apparition du flash.
- Lorsque le fluide reste immobile et se réchauffe on obtient P = 2.3barg / T = 89.0K. Le fluide était froid mais il se réchauffe jusqu'à son point d'ébullition à 2.3barg : 89.0K. Dans ces conditions, il suffit alors d'une très légère chute de pression , à la reprise du débit par exemple pour créer les conditions d'apparition du flash dans le tube central.
En d'autres termes, le risque d'ébullition est faible lorsque le fluide circule, il est très fort lors des démarrages.
- figure 5 - au point X :
- Lorsque le fluide circule au point X on obtient P = 2,3barg / T = 87.9K et un faible risque d'ébullition ; ici encore le fluide est froid car il arrive de la cuve en hauteur où les conditions de pression et température sont P=2barg T=87.9K. Dans ces conditions, il faut une chute de pression conséquente (0.3bar) pour créer les conditions d'apparition du flash.
- Lorsque le fluide reste immobile et se réchauffe on obtient P = 2.3barg / T = 88.6K. Le fluide dans le tube central était froid mais il se réchauffe jusqu'à atteindre la température régnant entre les deux tube T=88.6K. A cette température, le flash apparaît à 2.2barg alors que la pression statique est de 2.3barg. Le flash apparaîtra donc dans le tube central lorsqu'une perte de charge supérieure à 0,1 bar sera créée, à la reprise du débit par exemple.
En d'autres termes, le risque d'ébullition est très faible lorsque le fluide circule, il est significatif lors des démarrages.
- figure 6 - au point X :
- Lorsque le fluide circule au point X on obtient P = 2.3barg / T = 87.9K et un faible risque d'ébullition. Le fluide est froid car il arrive de la cuve en hauteur où les conditions de pression et température sont P=2barg T=87.9K. Dans ces conditions, il faut une chute de pression conséquente (0.3bar) pour créer les conditions d'apparition du flash.
- Lorsque le fluide reste immobile et se réchauffe on obtient P = 2.3barg / T = 87.9K. Le fluide dans le tube central était froid mais il se réchauffe jusqu'à atteindre la température régnant entre les deux tube T=87.9K. A cette température, le flash apparaît à 2.0barg alors que la pression statique est de 2.3barg. Le flash apparaîtra donc dans le tube central lorsqu'une perte de charge supérieure à 0 .3bar sera créée. Cette baisse de pression étant relativement conséquente, ce phénomène sera rare.
En d'autres termes, le risque d'ébullition est ici très très faible lorsque le fluide circule, il est très faible lors des démarrages.
Comme bien montré par ce qui précède, la configuration de débitmètre proposée par la présente invention offre des performances remarquables et notamment une mesure précise du débit d'un fluide diphasique sans dispositif de mise en pression, ceci quelles que soient les conditions de pression et de température de celui-ci. On peut penser que ces performances remarquables sont à relier à la mise en œuvre combinée des mesures suivantes :
- l'utilisation d'un séparateur de phase situé « en hauteur » ;
- l'installation d'un débitmètre liquide situé impérativement plus bas que le séparateur de phase dans l'installation, typiquement entre 1 et 6 mètres sous le séparateur de phase, de manière à créer une pression statique supérieure aux inévitables pertes de charges et éviter ainsi toute vaporisation du liquide passant dans le débitmètre liquide.
- la mise en œuvre avantageuse selon l'invention (mais qui ne doit être considérée que comme une option) d'un double tube concentrique avec éventuellement des chicanes entre le séparateur de phase et le débitmètre liquide qui permet de conserver la température du liquide arrivant au débitmètre liquide et d'éviter toute vaporisation du liquide durant les phases où le débit est très faible ou nul.
Et l'on peut penser que la hauteur de charge du liquide cryogénique proposée par la présente invention permet de rendre le liquide moins sensible aux entrées de chaleur et à la vaporisation. En quelques sorte, on sous-refroidi l e l i q u id e sa n s po m pe et sa n s i nj ect ion d e g az po u r effectuer des pressurisations comme selon l'art antérieur, ceci par une configuration simple mais incroyablement efficace, où l'on son soumet le liquide à la pesanteur grâce à une tuyauterie verticale (ou sensiblement verticale) mais en tout cas descendante dans l'espace, d'une hauteur suffisante pour créer la pression dont nous avons besoin.

Claims

Revendications
1. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz, comprenant :
- un séparateur de phases liquide/gaz, préférentiellement constitué d'une cuve (1 ), dans la partie supérieure de laquelle est admis le liquide cryogénique;
- un capteur de débit liquide (21 ), situé sur une canalisation liquide en communication de fluide avec la partie basse de la cuve;
- une canalisation gaz, en communication de fluide avec la partie haute de la cuve, munie d'une vanne gaz (12);
- un dispositif de mesure du niveau de liquide dans la cuve, comportant préférentiellement deux capteurs de niveau : un capteur (3) de niveau bas et un capteur (2) de niveau haut,
se caractérisant en ce que la cuve est placée en position haute (H) dans l'espace par rapport au capteur de débit liquide (21 ), position haute matérialisée par la présence d'un tube descendant, reliant la partie basse de la cuve à la canalisation liquide.
2. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz selon la revendication 1 , se caractérisant en ce qu'il comprend de plus :
- une vanne liquide (22), en amont ou en aval du débitmètre liquide (21 ) sur la dite canalisation liquide ;
- un capteur de débit (1 1 ) de la phase gaz issue de la partie supérieure de la cuve, situé sur ladite canalisation gaz en amont ou en aval de ladite vanne gaz (12).
3. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz selon la revendication 1 ou 2, se caractérisant en ce que le tube descendant est un tube vertical ou sensiblement vertical.
4. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz selon l'une des revendications 1 à 3, se caractérisant en ce qu'il comprend, autour de tout ou partie de la longueur dudit tube descendant un tube concentrique (40), ménageant entre le tube descendant et le tube concentrique une cavité concentrique, apte à recevoir du liquide provenant du séparateur (1 ), tandis que les gaz d'évaporation de cette cavité sont aptes à être renvoyés vers la partie supérieure du séparateur (1 ).
5. Débitmètre pour fluides diphasiques cryogéniques liquide/gaz selon la revendication 4, se caractérisant en ce que tout ou partie de la hauteur de la cavité concentrique est munie de chicanes.
6. Méthode de mesure du débit d'un fluide diphasique cryogénique liquide/gaz alimentant un appareil consommateur, utilisant un Débitmètre conforme à l'une des revendications 1 à 5, positionné en l igne sur une canalisation d'alimentation de l'appareil en fluide cryogénique.
7. Méthode de mesure du débit selon la revendication 6, se caractérisant en ce que une vanne liquide (22) est présente, en amont ou en aval du débitmètre liquide (21 ) sur la dite canalisation liquide et en ce que la vanne liquide (22) est automatiquement fermée lorsque le niveau de liquide dans le séparateur (1 ) de phase est inférieur à une limite basse minimum.
8. Méthode de mesure du débit selon la revendication 7, se caractérisant en ce que la fermeture de la vanne liquide (22) est réalisée de façon non brutale, de façon progressive, à l'approche d'un niveau bas de liquide dans la cuve se rapprochant de ladite limite basse.
9. Méthode de mesure du débit selon la revendication 8, se caractérisant en ce que pendant la fermeture de la vanne liquide (22), la vanne gaz (12) reste ouverte.
10. Méthode de mesure du débit selon l'une des revendications 6 à 9, se caractérisant en ce que un capteur de débit (1 1 ) de la phase gaz issue de la partie supérieure de la cuve est présent sur ladite canalisation gaz en amont ou en aval de lad ite vanne gaz (1 2), et en ce que la vanne gaz (12) est automatiquement fermée lorsque le niveau de liquide dans le séparateur (1 ) de phase est supérieur à une limite haute.
11. Méthode de mesure du débit selon la revendication 10, se caractérisant en ce que la fermeture de la vanne gaz (12) est réalisée de façon non brutale, de façon progressive, à l'approche d'un niveau haut de liquide dans la cuve se rapprochant de ladite limite haute.
12. Méthode de mesure du débit selon la revendication 1 1 , se caractérisant en ce que pendant la fermeture de la vanne gaz (12), la vanne liquide (22) reste ouverte.
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