FR3114136A1 - Stockage cryogénique double - Google Patents

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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Stockage cryogénique double comprenant un réservoir (2) inférieur muni d’une conduite (12) de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir (2) inférieur, un réservoir (3) supérieur muni d’une conduite (13) de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir (3) supérieur, le stockage (1) comprenant une conduite (14) de pressurisation de l’un au moins parmi : le réservoir (2) inférieur et le réservoir (3) supérieur, la conduite (14) de pressurisation comprenant une première extrémité destinée à être raccordée à une source (4) de gaz sous pression et une seconde extrémité raccordée à la partie supérieure du réservoir (3) supérieur et/ou à la partie supérieure du réservoir (2) inférieur, caractérisé en ce que la conduite (14) de pressurisation comprend une portion située dans le réservoir (2) inférieur et disposée concentriquement à la conduite de soutirage (12) du réservoir (2) inférieur et/ou concentriquement à la conduite (13) de soutirage du réservoir (3) supérieur Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Stockage cryogénique double
L’invention concerne un stockage cryogénique double.
L’invention concerne plus particulièrement un stockage cryogénique double comprenant un réservoir inférieur muni d’une conduite de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir inférieur, un réservoir supérieur muni d’une conduite de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir supérieur, le stockage comprenant une conduite de pressurisation de l’un au moins parmi : le réservoir inférieur et le réservoir supérieur, la conduite de pressurisation comprenant une première extrémité destinée à être raccordée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité raccordée à la partie supérieure du réservoir supérieur et/ou à la partie supérieure du réservoir inférieur.
Certains réservoirs cryogéniques ont besoin d’être pressurisés afin de pouvoir alimenter les installations qui consomment les fluides cryogéniques fournis par ces réservoirs. Ces réservoirs sont donc connectés soit directement à l’installation aval si le niveau de pression requis n’est pas trop élevé, soit ces réservoirs sont connectés à des pompes cryogéniques (centrifuges ou piston) en fonction du niveau de pression nécessaire à l’application aval. Pour pressuriser ces réservoirs il faut fournir du gaz de pressurisation dans le ciel gazeux du réservoir.
Classiquement dans les stockages fixes ou situés au sol sont à double parois avec une isolation sous vide entre les parois et comprennent des lignes de pressurisation qui traversent le fond du réservoir depuis l'extérieur par plusieurs piquages et cheminent dans l’inter-paroi avant de pénétrer le réservoir interne en point haut dans le ciel gazeux.
Dans le cas de réservoirs mobiles d’engins volants tels que dans le domaine des lanceurs pour le domaine spatial, les réservoirs n’ont pas forcément une structure à double enveloppe (double parois). Pour ce type de réservoir, les lignes de pressurisation qui apportent le gaz de pressurisation en un point haut sont traditionnellement attachées sur l 'extérieur des réservoirs. La génération du gaz de pressurisation se fait classiquement sous le réservoir dans le bâti d’un moteur où le fluide cryogénique de pressurisation est réchauffé/vaporisé grâce à la chaleur dégagée par le moteur.
Cette solution présente de nombreux inconvénients.
Ainsi, la ligne de pressurisation est en extérieur et doit pour cette raison être fortement isolée pour éviter notamment la formation de glace au sol lors du remplissage du réservoir. Cette ligne doit être isolée également en vol car les flux de chaleur générés par le frottement du lanceur dans l’air conduisent à des températures extrêmement élevées qui réduisent les propriétés mécaniques des matériaux. Il est donc nécessaire de prévoir des isolants thermiques supportant à la fois les conditions de haute température et les conditions cryogéniques.
Une mauvaise isolation peut créer de la condensation et des glaçons sous l’isolant qui peuvent dégrader les isolants et générer de graves problèmes de sécurité.
De plus, la fixation de la ligne de pressurisation sur les réservoirs engendre des difficultés de réalisation pour les viroles (parois cylindrique) de réservoir. En effet, la masse étant critique sur un lanceur, les épaisseurs de virole sont calculées au plus juste et le fait de devoir rajouter des fixations pour des lignes de pressurisation nécessite de rajouter localement de l'épaisseur pour pouvoir notamment ajouter des taraudages. Ceci augmente le coût des réservoirs.
Les lignes externes sont de plus soumises aux flux aérodynamiques et engendrent en conséquence des efforts importants sur les points de fixation sur les réservoirs. De plus, lors des étapes de fabrication et de transport, ces lignes sont exposées à des chocs. Des efforts encore plus importants peuvent être engendrés par des flux de fusées d’éloignement qui sont utilisées classiquement pour éloigner les propulseurs à poudre du lanceur une fois que ces propulseurs n’apportent plus de poussée car les jets de ces fusées d’éloignement impactent les lignes externes aux réservoirs. La tenue à ces efforts élevés nécessite des renforts, brides et ceci peut modifier la répartition des efforts de façon défavorable.
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 stockage selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que la conduite de pressurisation comprend une portion située dans le réservoir inférieur et disposée concentriquement à la conduite de soutirage du réservoir inférieur et/ou concentriquement à la conduite de soutirage du réservoir supérieur.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • la seconde extrémité de la conduite de pressurisation débouche en partie supérieure du réservoir inférieur, la conduite de pressurisation étant située autour de la conduite de soutirage du réservoir supérieur,
  • la conduite de soutirage du réservoir inférieur est formée au niveau d’un col situé à une extrémité inférieure du réservoir inférieur et en ce que le col est situé autour de la conduite de pressurisation,
  • le stockage comprend une couche d’isolant thermique située sur une face d’au moins une parmi : la conduite de soutirage du réservoir inférieur, la conduite de pressurisation, la conduite de soutirage du réservoir supérieur,
  • la seconde extrémité de la conduite de pressurisation débouche en partie supérieure du réservoir supérieur,
  • le réservoir inférieur et le réservoir supérieur contiennent chacun au moins l’un parmi : du gaz naturel liquéfié, du méthane liquéfié, de l’hydrogène liquéfié, de l’hélium liquéfié, de l’oxygène liquéfié, la conduite de pressurisation contenant du gaz de pressurisation parmi : de l’hélium, de l’argon, de l’azote ou bien un des fluides cryogéniques provenant d’un des réservoirs précités et qui a été vaporisé dans le but de l’utiliser pour la pressurisation dudit réservoir,
  • le réservoir est du type à fond commun c’est-à-dire qu’au moins une partie de la paroi inférieure formant le fond du réservoir supérieur constitue au moins une partie de la paroi délimitant l’extrémité supérieure du réservoir inférieur.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
représente une vue en coupe, schématique et partielle, illustrant un exemple de réalisation d’un stockage selon l’invention,
représente une section transversale, schématique et partielle, illustrant un détail du stockage de la [Fig. 1] illustrant l’agencement de la conduite de pressurisation.
Le stockage 1 de fluide cryogénique représenté à la est un stockage double, c’est-à-dire un double réservoir configuré pour stocker deux volumes de fluide cryogénique distincts.
Dans l’exemple représenté schématiquement et nullement limitatif, le stockage1 est un réservoir double dit « à fond commun ». C’est-à-dire un stockage 1 dans lequel au moins une partie de la paroi inférieure formant le fond du réservoir supérieur 3 constitue au moins une partie de la paroi délimitant l’extrémité supérieure du réservoir 2 inférieur. Ce type de réservoir est utilisé en particulier pour stocker carburant et/ou comburant dans des aéronefs et notamment des lanceurs spatiaux.
Le stockage 1 comprend un réservoir 2 inférieur et un réservoir 3 supérieur. Par « inférieur » et « supérieur » on désigne la disposition relative des deux réservoirs 2, 3 lorsque le stockage 1 est posé sur le sol, verticalement, notamment lors de son remplissage et lors de son décollage avec le lanceur qui l’intègre.
Le réservoir 2 inférieur est muni d’une conduite 12 de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir 2 inférieur. Le réservoir 3 supérieur est également muni d’une conduite 13 de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir 3 supérieur.
Le stockage 1 comprend en outre au moins une conduite 14 de pressurisation de l’un au moins des réservoirs 2, 3. Dans l’exemple représenté, le stockage 1 comprend une conduite 14 de pressurisation du réservoir 2 inférieur.
Bien entendu, le stockage 1 pourrait comprendre en plus ou à la place une conduite 14 de pressurisation du stockage supérieur. De même, la même conduite 14 de pressurisation ou deux conduites distinctes pourraient assurer la pressurisation des deux réservoirs 2, 3.
La conduite 14 de pressurisation est logée au moins en partie dans le réservoir 2 inférieur 2 et comprend une première extrémité destinée à être raccordée à une source 4 de gaz sous pression et une seconde débouchant dans la partie supérieure du réservoir 2 inférieur.
Comme illustré, la conduite 14 de pressurisation comprend une portion située dans le réservoir 2 inférieur qui est disposée concentriquement autour de la conduite de soutirage 13 de soutirage du réservoir 3 supérieur.
Comme illustré, la conduite 12 de soutirage du réservoir 2 inférieur peut être formée au niveau d’un col situé à une extrémité inférieure du réservoir 2 inférieur. La conduite de pressurisation peut passer par ce col, c’est-à-dire que le col est situé concentriquement autour de la conduite 14 de pressurisation qui elle-même située autour de la conduite 14 de soutirage de fluide du réservoir 3 supérieur.
Cet agencement permet de s’affranchir des inconvénients des solutions de l’art antérieur.
Selon cet agencement la connexion de fond de réservoir 2 inférieur (orifice ou col de sortie) permet de passer une ligne à double enveloppe dans laquelle circulent concentriquement le gaz de pressurisation et le fluide provenant du réservoir 3 supérieur.
Cette architecture améliore la gestion des températures des fluides cryogéniques (ergols) car la présence d’un gaz de pressurisation interposé entre les deux fluides cryogéniques limite les échanges thermiques entre les deux fluides cryogéniques des deux réservoirs 2, 3.
Comme schématisé, le stockage 1 peut comprendre facultativement une couche 5 d’isolant thermique située par exemple sur la face interne de la conduite 14 de pressurisation.
Les réservoirs 2, 3 peuvent stocker tout type de gaz cryogénique et notamment du gaz naturel liquéfié, au moins un des gaz de l’air (hydrogène, hélium, néon, azote, oxygène…).
Le gaz de pressurisation peut comprendre ou être constitué d’un gaz parmi: de l’hélium, de l’argon, de l’azote ou bien un des fluides cryogéniques provenant d’un des réservoirs 2, 3 et qui a été vaporisé dans le but de l’utiliser pour la pressurisation dudit réservoir 2 et/ou 3.
L’invention peut s’appliquer avantageusement aux réservoirs pour lanceurs à fond commun où la conduite de soutirage du réservoir 3 supérieur transite le réservoir 2 inférieur.
L’invention n’est pas limitée au mode de réalisation illustré.
Dans la représentation schématique cette conduite 13 est verticale mais toute autre disposition (inclinée…) peut être envisagée.
De même, la disposition des conduites 13, 14, 12 « concentriquement » n’est pas limitée à des conduites ayant un même axe de symétrie central.
De même, comme évoqué ci-dessus, si les deux réservoirs 2, 3 peuvent être pressurisés avec le même gaz et le même niveau de pression, alors la conduite 14 de pressurisation peut se prolonger jusqu’en partie supérieure du réservoir 3 supérieur.

Claims (7)

  1. Stockage cryogénique double comprenant un réservoir (2) inférieur muni d’une conduite (12) de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir (2) inférieur, un réservoir (3) supérieur muni d’une conduite (13) de soutirage de fluide reliée à la partie inférieure du réservoir (3) supérieur, le stockage (1) comprenant une conduite (14) de pressurisation de l’un au moins parmi : le réservoir (2) inférieur et le réservoir (3) supérieur, la conduite (14) de pressurisation comprenant une première extrémité destinée à être raccordée à une source (4) de gaz sous pression et une seconde extrémité raccordée à la partie supérieure du réservoir (3) supérieur et/ou à la partie supérieure du réservoir (2) inférieur, caractérisé en ce que la conduite (14) de pressurisation comprend une portion située dans le réservoir (2) inférieur et disposée concentriquement à la conduite de soutirage (12) du réservoir (2) inférieur et/ou concentriquement à la conduite (13) de soutirage du réservoir (3) supérieur.
  2. Stockage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde extrémité de la conduite (14) de pressurisation débouche en partie supérieure du réservoir (2) inférieur, la conduite (14) de pressurisation étant située autour de la conduite (13) de soutirage du réservoir (3) supérieur.
  3. Stockage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la conduite (12) de soutirage du réservoir (2) inférieur est formée au niveau d’un col situé à une extrémité inférieure du réservoir (2) inférieur et en ce que le col est situé autour de la conduite (14) de pressurisation.
  4. Stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend une couche (5) d’isolant thermique située sur une face d’au moins une parmi : la conduite (12) de soutirage du réservoir inférieur (2), la conduite (14) de pressurisation, la conduite (13) de soutirage du réservoir supérieur (3).
  5. Stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde extrémité de la conduite (14) de pressurisation débouche en partie supérieure du réservoir (3) supérieur.
  6. Stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir (2) inférieur et le réservoir supérieur (3) contiennent chacun au moins l’un parmi : du gaz naturel liquéfié, du méthane liquéfié, de l’hydrogène liquéfié, de l’hélium liquéfié, de l’oxygène liquéfié, la conduite (14) de pressurisation contenant du gaz de pressurisation parmi : de l’hélium, de l’argon, de l’azote ou bien un des fluides cryogéniques provenant d’un des réservoirs (2, 3) précités et qui a été vaporisé dans le but de l’utiliser pour la pressurisation dudit réservoir.
  7. Stockage selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu’il est du type à fond commun c’est-à-dire qu’au moins une partie de la paroi inférieure formant le fond du réservoir supérieur (3) constitue au moins une partie de la paroi délimitant l’extrémité supérieure du réservoir (2) inférieur.
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