FR3114355A1 - Ensemble de stockage cryogénique de carburant liquéfié - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un ensemble de stockage (1) de carburant cryogénisé, comportant : – un réservoir de carburant (2) contenant du carburant liquide (3) et un gaz (6) pressurisant ; – un réservoir haute pression (4) de gaz pressurisant relié au réservoir (2) par une vanne (7) pour pressuriser le carburant liquide (3) ; – un conduit d’alimentation (8) relié au réservoir (2) et dans lequel circule du carburant liquide pour alimenter un ou des récepteurs ; – un premier échangeur de chaleur (12) relié au carburant (3) contenu dans le réservoir (2) ; – un deuxième échangeur de chaleur (13) traversé par le conduit d’alimentation (8) de carburant ; – une pompe à chaleur (14) reliée au premier et au deuxième échangeur de chaleur (12, 13) pour refroidir le carburant (3) du réservoir (2) en transférant sa chaleur vers le carburant circulant dans le conduit d’alimentation (8). Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

Ensemble de stockage cryogénique de carburant liquéfié
L'invention concerne un ensemble de stockage de carburant cryogénique comportant un réservoir de carburant et des moyens de maintien du carburant en phase liquide dans ce réservoir.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Certains aéronefs utilisent un carburant porté à très basse température pour leur fonctionnement, notamment en raison d'un impact environnemental réduit par rapport à un carburant à température ambiante. Un tel carburant est par exemple le gaz naturel liquide, ou bien l’hydrogène liquide.
Ce carburant cryogénisé est stocké dans un réservoir isotherme pour maintenir sa température à une valeur basse. Cependant, du fait de la différence de température avec l'extérieur du réservoir, de la chaleur entre dans le réservoir et tend à réchauffer le carburant.
Compte tenu de la durée importante d’un vol, il est ainsi nécessaire de prévoir un système de refroidissement du carburant pour que celui-ci n’atteigne pas sa température de vaporisation. Mais compte tenu des conditions de fonctionnement, il s’avère que la mise en œuvre d’un tel système de refroidissement est complexe et coûteuse à mettre en oeuvre.
L'invention a pour but de proposer un ensemble de stockage comportant des moyens de régulation de la température du carburant stocké.
A cet effet, l’invention a pour objet un ensemble de stockage de carburant cryogénisé pour une turbomachine, comportant :
– un réservoir de carburant contenant du carburant liquide et un gaz pressurisant ce réservoir ;
– un conduit d’alimentation relié au réservoir et dans lequel circule du carburant liquide pour alimenter un ou des récepteurs ;
– un premier échangeur de chaleur dans lequel circule le carburant contenu dans le réservoir ;
– un deuxième échangeur de chaleur dans lequel circule le carburant du conduit d’alimentation ;
– une pompe à chaleur reliée au premier et au deuxième échangeur de chaleur pour refroidir le carburant du réservoir en transférant sa chaleur vers le carburant circulant dans le conduit d’alimentation.
Le transfert de calories vers le débit carburant lui aussi froid rend le cycle frigorifique plus simple et plus efficace.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le gaz pressurisant le réservoir de carburant est du carburant vaporisé.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, comprenant un réservoir haute pression de gaz pressurisant relié au réservoir par l’intermédiaire d’une vanne pour pressuriser le carburant liquide à une pression supérieure à une valeur seuil.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le carburant est du gaz naturel liquéfié et dans lequel le gaz pressurisant est l’azote.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le carburant est de l’hydrogène liquide et le gaz pressurisant est de l’helium.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel la pompe à chaleur comporte un circuit incluant une première branche équipée d’un compresseur et dans laquelle circule un fluide de travail depuis le premier échangeur vers le deuxième échangeur, et une deuxième branche équipée d’une vanne de détente ou d’une turbine et dans laquelle le fluide de travail circule depuis le deuxième échangeur vers le premier échangeur.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le fluide de travail est soit de l’azote, soit de l’helium, soit du carburant vaporisé.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, dans lequel le fluide de travail est le même que le gaz pressurisant.
L’invention concerne également un ensemble ainsi défini, comprenant une conduite de décharge reliant le réservoir de gaz haute pression à la première branche par l’intermédiaire d’une première vanne à trois voies équipant la première branche en étant située en amont du compresseur et une conduite de recharge reliant le réservoir de gaz haute pression à la première branche par l’intermédiaire d’une seconde vanne à trois voies équipant la première branche en étant située en aval du compresseur.
L’invention concerne également aéronef comprenant un ensemble de stockage de carburant cryogénisé ainsi défini.
L’invention concerne également un procédé de refroidissement de carburant cryogénisé pour une turbomachine, dans un agencement comprenant un réservoir de carburant et un conduit d’alimentation relié à ce réservoir et dans lequel circule du carburant liquide pour alimenter un ou des récepteurs de la turbomachine, dans lequel on utilise une pompe à chaleur reliant le réservoir de carburant au conduit d’alimentation pour évacuer la chaleur du carburant du réservoir vers le carburant circulant dans le conduit d’alimentation.
est une représentation schématique d'un ensemble de stockage de carburant cryogénisé selon l’invention ;
est une représentation schématique d'un ensemble de stockage de carburant cryogénisé conformément à une variante de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
L’idée à la base de l’invention est de stocker du carburant dans un réservoir en le maintenant à basse température pour qu’il reste liquide. Afin de réduire le dimensionnement des moyens de refroidissement nécessaires, le carburant est pressurisé dans le réservoir pour augmenter sa température de vaporisation, de sorte que le carburant est maintenu à l’état liquide en étant moins refroidi que s’il était à la pression ambiante.
Pour ce faire, on utilise un gaz de pressurisation ayant un effet d’inertage afin que le réservoir soit inerté, de manière à de ne pas permettre la combustion du carburant, et ayant une température de liquéfaction inférieure de par exemple 20 à 30 degrés Kelvin à celle du carburant, pour la pression de service du réservoir. Dans ces conditions, le gaz choisi pour pressuriser le réservoir peut également être utilisé comme gaz de travail dans la pompe à chaleur refroidissant le carburant contenu du réservoir.
Sur la , un ensemble de stockage 1 de carburant cryogénisé, destiné à alimenter les moteurs d'un aéronef, comporte un réservoir de carburant 2 partiellement rempli, jusqu’à un niveau repéré par N, d’un carburant liquide 3 qui est ici du gaz naturel liquéfié, couramment désigné par l’acronyme LNG. Cet ensemble 1 comporte un réservoir de gaz à haute pression 4 contenant un gaz pressurisant 6 qui est ici de l’azote (N2). Ce réservoir haute pression 4 est relié à une partie supérieure du réservoir de carburant 2 par une vanne de régulation 7, pour maintenir le réservoir de carburant 2 à une pression prédéterminée en injectant du gaz dans la partie supérieure du réservoir, c’est-à-dire celle située au dessus du niveau N.
Le carburant 3 est acheminé vers un ou des récepteurs non représentés, à savoir un ou des turboréacteurs, au moyen d’un ensemble de pompes 9 situées au niveau du fond du réservoir 2, qui injectent ce carburant liquide dans un conduit d’alimentation 8 équipé d’une pompe 11.
L’ensemble est équipé d’un premier échangeur de chaleur 12 pour refroidir le carburant 3 présent dans le réservoir 2 et d’un deuxième échangeur de chaleur 13 pour évacuer la chaleur collectée par le premier échangeur 12 vers le carburant circulant dans le conduit 8.
Dans l’exemple des figures, le premier échangeur 12 est intégré dans le réservoir 2 afin d’optimiser son rendement, ce premier échangeur pouvant être simplement un dispositif pour faire circuler un fluide du circuit de refroidissement dans le carburant du réservoir en ayant une surface de contact suffisante pour assurer le transfert thermique souhaité.
Le deuxième échangeur 13 est traversé par le carburant circulant dans le conduit d’alimentation 8, de façon à évacuer la chaleur via le carburant alimentant les récepteurs. La chaleur collectée dans le réservoir 2 pour refroidir le carburant 3 qu’il contient est ainsi évacuée via le carburant qui alimente les récepteurs. D’une manière générale, ces échangeurs sont avantageusement des échangeurs à contre-courant du type à plaques.
Le transfert de chaleur entre le premier échangeur 12 et le deuxième échangeur 13 est assuré par un circuit 14 incluant une première branche 16 dans laquelle circule un fluide de travail depuis le premier échangeur 12 jusqu’au deuxième échangeur 13, et une deuxième branche 17 dans laquelle le fluide de travail circule depuis le deuxième échangeur 13 jusqu’au premier échangeur 12.
Comme visible sur la , la première branche 16 est équipée d’un compresseur 18 faisant circuler dans cette branche 16 le fluide de travail réchauffé ayant traversé le premier échangeur 12, le passage dans ce compresseur engendrant une augmentation de la température et de la pression.
Ce fluide réchauffé quitte la première branche 16 pour traverser le deuxième échangeur 13 dans lequel il se condense. La condensation étant une transformation exothermique, elle libère de la chaleur qui est transférée vers le carburant du conduit d’alimentation 8.
Le fluide de travail condensé quitte le deuxième échangeur 13 par la deuxième branche 17 qui est équipée d’une vanne de détente 19 à travers laquelle il est détendu, ce qui abaisse sa température et sa pression, avant de quitter cette deuxième branche 17 pour traverser le premier échangeur 12.
Lorsque le fluide condensé traverse la vanne de détente 19, une portion de la partie condensée se vaporise, en prélevant de la chaleur du fait que la vaporisation est une réaction endothermique, ce qui abaisse la température du fluide, jusqu’à une valeur inférieure à celle de la température du carburant liquide 3 contenu dans le réservoir 2.
Lorsque le fluide de travail traverse le premier échangeur 12, il est ainsi plus froid que le carburant liquide circulant dans cet échangeur, de sorte qu’il refroidit le carburant liquide, en se réchauffant et en se vaporisant partiellement.
Ainsi, le circuit 14 constitue une pompe à chaleur établissant un cycle frigorigène, correspondant à un cycle réfrigérant à compression vapeur pour azote dans le cas de la .
Le carburant est avantageusement sous-refroidi, c’est-à-dire qu’il est maintenu à une température inférieure à sa température de vaporisation pour la pression considérée, afin qu’un apport de chaleur modéré reste insuffisant pour provoquer une vaporisation du carburant liquide.
Le sous-refroidissement permet de ne stocker que du carburant liquide, ce qui permet de simplifier sa gestion, et le carburant sous-refroidi a aussi une densité plus élevée, ce qui réduit le volume à embarquer. Un liquide sous-refroidi permet aussi de réduire les risques de cavitation qui sont en soi problématiques pour les pompes.
En fonctionnement, la consommation de carburant évacué par le conduit 8 pour alimenter un ou des moteurs fait baisser le niveau de carburant N dans le réservoir, ce qui tend à faire diminuer la pression. Du gaz de pressurisation issu du réservoir haute pression 4 est alors injecté par la partie haute du réservoir 2, en commandant l’ouverture de la vanne 7, jusqu’à atteindre une pression minimale prédéterminée. Le pilotage de la vanne 7 peut être assuré par un automate qui l’ouvre lorsque la pression dans le réservoir devient inférieure à une valeur seuil, puis la referme lorsque cette pression est supérieure à une autre valeur seuil. La vanne 7 peut aussi être tarée pour s’ouvrir et se fermer de manière autonome conformément à ces seuils.
Dans l’exemple de la , l’ensemble selon l’invention utilise un gaz pressurisant qui est de l’azote et un carburant qui est du gaz naturel liquéfié (LNG). Mais l’invention est également adaptée à l’utilisation d’helium comme gaz pressurisant avec l’hydrogène liquide (LH2) comme carburant.
Dans ce cas, l’agencement général, qui est représenté sur la , est identique à celui de la , à la différence près que la vanne de détente 19 est remplacée par une turbine 19’, et la pompe à chaleur 14 est là aussi agencée pour sous-refroidir le carburant. En pratique, le cycle de pompe à chaleur est identique à celui de la , à la différence près qu’aux valeurs de températures et de pression de service, l’hélium circulant dans le circuit 14 est supercritique : il subit les mêmes compressions, refroidissements, détentes et réchauffages, mais il ne change pas d’état durant ces étapes. En pratique, le cycle peut fonctionner dans le circuit 14 avec une pression basse de 5 bars et une pression haute de 12 bars.
Lors du remplissage du réservoir 2 avec le carburant liquide, le niveau N de carburant liquide 3 augmente progressivement, de sorte que le volume disponible pour le gaz pressurisant diminue.
Pour éviter que la pression augmente de façon trop importante dans le réservoir, le gaz pressurisant peut être simplement évacué à l’extérieur si cela est acceptable sur le plan de la sécurité et du coût, ce qui peut être le cas lorsque le gaz pressurisant est l’azote comme dans la . Le réservoir à haute pression 4 est alors avantageusement rechargé en azote séparément.
Alternativement, le gaz pressurisant présent dans le réservoir 2 est comprimé durant l’opération de remplissage de carburant liquide par le compresseur 18 du circuit 14, pour être réinjecté dans le réservoir haute pression 4, conformément à l’exemple de la qui est adapté à l’hélium, mais peut également être utilisé dans le cas où le gaz pressurisant est l’azote et le carburant du gaz naturel.
Comme représenté sur la , l’ensemble de stockage 1 comporte alors une conduite de décharge 21 reliant la partie supérieure du réservoir de carburant 2 à la première branche 16 en amont du compresseur 18, et une conduite de recharge 22 par laquelle le réservoir haute pression 4 est relié à la première branche 16 en aval du compresseur 18.
Dans ce cas, la première branche 16 est équipée d’une première vanne 23 à trois voies, située en amont du compresseur 18 et reliée à la conduite de décharge 21. Cette première branche 16 est également équipée d’une seconde vanne 24 à trois voies, située en aval du compresseur 18 et reliée à la conduite de recharge 22.
Avant de procéder au remplissage du réservoir de carburant 2, la première vanne trois voies est pilotée pour mettre en communication la conduite de décharge 21 avec le compresseur 18 via la première branche 16. La seconde vanne à trois voies 24 est pilotée pour mettre en communication la conduite de recharge 22 avec l’aval du compresseur 18 par l’intermédiaire de la première branche 16.
Lorsque le remplissage du réservoir de carburant 2 est débuté, le compresseur 18 est mis en service, de sorte que la montée du niveau N dans le réservoir provoque l’évacuation du gaz de pressurisation vers la conduite de décharge 21. Le gaz de pressurisation est alors comprimé par le compresseur 18 pour être réinjecté dans le réservoir haute pression 4 par l’intermédiaire de la conduite de recharge 22.
Lorsque le remplissage est terminé, les vannes 23 et 24 sont pilotées pour fermer la communication respectivement de la conduite de décharge 21 et de la conduite de recharge 22 avec la première branche 16, de manière à permettre à la pompe à chaleur 14 de fonctionner à nouveau normalement.
Dans l’exemple des figures 1 et 2, le gaz de travail est l’azote ou bien l’hélium, mais il est également possible d’utiliser le carburant lui-même pour constituer le gaz de travail. Dans ce cas, la plus basse pression dans cycle de la pompe à chaleur est inférieure à la pression du liquide dans le réservoir du fait que pour prélever de la chaleur au carburant dans le réservoir, il faut que la température du fluide de réfrigération dans l’échangeur soit inférieure à celle du carburant.
Par ailleurs, dans l’exemple des figures 1 et 2, on prévoit de pressuriser le réservoir avec de l’azote ou bien de l’hélium, mais le carburant liquide peut être pressurisé dans le réservoir par du carburant vaporisé. Dans ce cas, le carburant est saturé au lieu d’être sous-refroidi, et il n’y a pas de réservoir haute pression 4 mais la pompe à chaleur 14 est toujours présente et peut fonctionner avec les fluides de travail décrits précédemment. Le refroidissement du réservoir tend alors à diminuer la proportion de carburant vaporisé, de sorte que la température du carburant doit alors être plus élevée, et que les pressions dans le cycle de la pompe à chaleur sont également plus élevées.
Dans l’exemple des figures, la pompe à chaleur 14 est formée par un cycle thermodynamique de type réfrigérant connu, mais le refroidissement pourrait aussi être assuré par réfrigération magnétique, ou encore au moyen d’un système de refroidissement à tube à pulsion, aussi désigné par « pulse tube ».

Claims (10)

  1. Ensemble de stockage (1) de carburant cryogénisé pour une turbomachine, comportant :
    – un réservoir de carburant (2) contenant du carburant liquide (3) et un gaz (6) pressurisant ce réservoir (2) ;
    – un conduit d’alimentation (8) relié au réservoir (2) et dans lequel circule du carburant liquide pour alimenter un ou des récepteurs ;
    – un premier échangeur de chaleur (12) pour refroidir le carburant (3) contenu dans le réservoir (2) ;
    – un deuxième échangeur de chaleur (13) dans lequel circule le carburant du conduit d’alimentation (8) ;
    – une pompe à chaleur (14) reliée au premier et au deuxième échangeur de chaleur (12, 13) pour refroidir le carburant (3) du réservoir (2) en transférant sa chaleur vers le carburant circulant dans le conduit d’alimentation (8).
  2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel le gaz (6) pressurisant le réservoir de carburant (2) est du carburant vaporisé.
  3. Ensemble selon la revendication 1, comprenant un réservoir haute pression (4) de gaz pressurisant relié au réservoir (2) par l’intermédiaire d’une vanne (7) pour pressuriser le carburant liquide (3) à une pression supérieure à une valeur seuil.
  4. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel le carburant (3) est du gaz naturel liquéfié et dans lequel le gaz pressurisant (6) est de l’azote.
  5. Ensemble selon la revendication 3, dans lequel le carburant (3) est de l’hydrogène liquide et le gaz pressurisant (6) est de l’helium.
  6. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la pompe à chaleur (14) comporte un circuit incluant une première branche (16) équipée d’un compresseur (18) et dans laquelle circule un fluide de travail depuis le premier échangeur (12) vers le deuxième échangeur (13), et une deuxième branche (17) équipée d’une vanne de détente (19) ou d’une turbine (19’) et dans laquelle le fluide de travail circule depuis le deuxième échangeur (13) vers le premier échangeur (12).
  7. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel le fluide de travail est soit de l’azote, soit de l’helium, soit du carburant vaporisé.
  8. Ensemble selon la revendication 6, dans lequel le fluide de travail est le même que le gaz pressurisant (6).
  9. Ensemble selon la revendication 8, comprenant une conduite de décharge reliant le réservoir de gaz haute pression (4) à la première branche (16) par l’intermédiaire d’une première vanne (23) à trois voies équipant la première branche (16) en étant située en amont du compresseur (18) et une conduite de recharge (22) reliant le réservoir de gaz haute pression (4) à la première branche (16) par l’intermédiaire d’une seconde vanne (24) à trois voies équipant la première branche (16) en étant située en aval du compresseur (18).
  10. Aéronef comportant un ensemble de stockage de carburant cryogénisé selon l’une des revendications 1 à 9.
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