FR3131362A1 - Dispositif et procédé de remplissage d’une enceinte par un fluide sous pression puis de vidange de celle-ci avec récupération du fluide - Google Patents

Dispositif et procédé de remplissage d’une enceinte par un fluide sous pression puis de vidange de celle-ci avec récupération du fluide Download PDF

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Abstract

TITRE : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE REMPLISSAGE D’UNE ENCEINTE PAR UN FLUIDE SOUS PRESSION PUIS DE VIDANGE DE CELLE-CI AVEC RÉCUPÉRATION DU FLUIDE Procédé de remplissage d’une enceinte (30) avec un fluide jusqu’à atteindre une pression cible puis de vidange de ladite enceinte le moment venu, caractérisé en ce que le remplissage est effectué à partir d’une première pluralité de réservoirs (R3, R4, R5, R6, R7, R8) de pressions différentes, successivement à partir du réservoir de plus faible pression (R2) jusqu’au réservoir de plus forte pression (R8), et en ce que la vidange est effectuée en transférant du contenu du de l’enceinte (30) vers une seconde pluralité de réservoirs (R2, R3, R4, R5, R6, R7), successivement vers le réservoir (R7) de plus forte pression jusqu’au réservoir de plus faible pression (R2). Figure pour l’abrégé : Figure 1

Description

DISPOSITIF ET PROCÉDÉ DE REMPLISSAGE D’UNE ENCEINTE PAR UN FLUIDE SOUS PRESSION PUIS DE VIDANGE DE CELLE-CI AVEC RÉCUPÉRATION DU FLUIDE Désignation du domaine technique concerné
L’invention concerne les procédés nécessitant un remplissage temporaire d’une enceinte avec un fluide sous pression pour lesquels il est nécessaire de récupérer tout ou partie du fluide après la vidange de l’enceinte. Par exemple, le fluide peut être récupéré car il est dangereux, polluant ou coûteux.
L’enceinte peut être de toute nature, par exemple elle peut être un réservoir de stockage d’hydrogène pour véhicule électrique. Le procédé peut également être de toute nature, par exemple un procédé de test d’étanchéité au gaz dudit réservoir de stockage d’hydrogène.
L’invention s’applique à tout type de fluide, qu’il soit liquide, gazeux ou composé d’un mélange d’un gaz et d’un liquide.
Elle est décrite ci-après pour le cas particulier d’un procédé de test d’étanchéité au gaz d’un réservoir d’hydrogène au moyen d’un gaz traceur sans que celui-ci ne limite le champ d’application de l’invention.
Problèmes techniques auxquels répond l’invention
Le test d’étanchéité d’un réservoir d’hydrogène avec un gaz traceur consiste à remplir celui-ci du gaz traceur, par exemple un mélange d’azote et d’hélium à 2 % d’hélium sous une pression de 600 bars. L’étanchéité du réservoir est ensuite vérifiée avec un capteur qui détecte la présence d’hélium au voisinage du réservoir en cas de fuite.
Selon l’état de la technique, le remplissage peut être effectué à partir d’un premier réservoir dont la pression en gaz traceur est supérieure à celle souhaitée dans le réservoir à tester et dont le volume est suffisant pour que cette pression reste supérieure à celle du réservoir à tester lorsque celui-ci a atteint la pression cible. Lors de la vidange, le gaz est transféré du réservoir à tester dans un second réservoir. Un compresseur renvoie ensuite le gaz traceur du second réservoir au premier et un appoint en gaz traceur est effectué dans le premier réservoir.
Cette solution est peu efficace énergétiquement, car elle nécessite une forte élévation de pression du gaz traceur. Elle conduit également à une importante formation de givre autour des vannes et des canalisations du fait de la détente importante du gaz traceur lors du remplissage et de la vidange du réservoir à tester.
L’invention apporte une solution nouvelle à ces problèmes.
Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un procédé de remplissage d’une enceinte avec un fluide jusqu’à atteindre une pression cible puis de vidange de ladite enceinte le moment venu, caractérisé en ce que le remplissage est effectué à partir d’une première pluralité de réservoirs de pressions différentes, successivement à partir du réservoir de plus faible pression jusqu’au réservoir de plus forte pression, et en ce que la vidange est effectuée en transférant du contenu du réservoir de l’enceinte vers une seconde pluralité de réservoirs, successivement vers le réservoir de plus forte pression jusqu’au réservoir de plus faible pression.
L’invention permet de limiter la consommation en fluide en récupérant une grande partie de celui-ci et en le réutilisant à nouveau pour un nouveau cycle de remplissage. Il permet également d’optimiser énergétiquement le procédé de remplissage, le fluide étant récupéré sous pression, limitant ainsi l’énergie nécessaire pour relever sa pression au niveau souhaité en fin de remplissage.
Après la vidange, un appoint en fluide peut être réalisé dans la seconde pluralité de réservoirs, laquelle est ensuite utilisée comme première pluralité de réservoirs pour un nouveau remplissage d’une enceinte.
Avantageusement, la vidange est effectuée dans une seconde pluralité de réservoirs composée de réservoirs de la première pluralité de réservoirs. Réaliser la vidange dans une même pluralité de réservoirs permet de limiter le nombre de réservoirs, réduisant ainsi le coût de la machine et son encombrement.
Selon un second aspect de l’invention, il est proposé une machine de remplissage d’une enceinte avec un fluide jusqu’à atteindre une pression cible puis de vidange de ladite enceinte le moment venu, comprenant une première pluralité de réservoirs de pressions différentes à partir desquels est effectué le remplissage de l’enceinte et une seconde pluralité de réservoirs dans lesquels est transféré le fluide de l’enceinte lors de la vidange et en ce qu’elle est apte à la mise en œuvre du procédé selon le premier aspect de l’invention.
De préférence, la seconde pluralité de réservoirs est composée de réservoirs de la première pluralité de réservoirs.
Brève description des figures
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel :
est une vue schématique d’une machine selon un exemple de réalisation de l’invention.
Le réservoir d’hydrogène à tester 30 fait d’abord l’objet d’un test de résistance à la pression sous eau. Il est ensuite séché puis balayé par de l’azote pour supprimer toute trace d’oxygène dans le réservoir. A la fin de cette opération, il est sous une pression résiduelle d’environ 5 bars d’azote.
Il est ensuite rempli en gaz traceur jusqu’à atteindre la pression souhaitée. Il est maintenu à cette pression le temps d’effectuer le test d’étanchéité au gaz. Enfin, le réservoir une fois testé est vidangé. Le remplissage et la vidange du réservoir sont réalisés par la mise en œuvre du procédé selon l’invention et au moyen d’une machine selon l’invention.
La machine 1 représentée en comprend un premier réservoir R2 alimenté en un mélange d’azote et d’hélium à 2 % d’hélium sous une pression de 40 bars à partir d’un circuit d’alimentation 3 comprenant une pompe 4 et un mélangeur 5 alimenté par un circuit 6 d’azote et un circuit 7 d’hélium. La teneur en hélium en sortie du mélangeur est mesurée par un analyseur 8 et les proportions d’azote et d’hélium sont ajustées avec des vannes de régulation 9, 10.
La vanne 11 est fermée lors de la phase de remplissage du réservoir R2, ainsi que la vanne 13 située en sortie du réservoir.
La machine 1 comprend un ensemble de réservoirs complémentaires, six réservoirs R3 à R8 dans cet exemple de réalisation, destinés à recevoir le gaz traceur à des pressions différentes et plus élevées.
Un compresseur 12 permet d’alimenter ces réservoirs en gaz traceur à partir de celui disponible dans le réservoir R2 en élevant sa pression de 40 bars à 718 bars. Les réservoirs R3 à R8 sont alimentés en gaz par ouverture d’une vanne d’entrée 14 raccordée à une sortie du compresseur 12, la vanne d’entrée 14 étant refermée lorsque la pression visée est atteinte dans le réservoir, la pression du réservoir étant mesurée par un manomètre 15.
Par exemple, le dernier réservoir R8 est à une pression nominale de 718 bars, supérieure à celle de 600 bars du réservoir 30 à tester, les autres sont à des pressions nominales intermédiaires décroissantes, jusqu’à 40 bars pour le réservoir R2.
Pour remplir le réservoir à tester 30 de gaz traceur à 600 bars, on le relie successivement à chacun des réservoirs R3 à R8 à l’aide d’un circuit de transfert 16 raccordé aux sorties des réservoirs R3 à R8, en ouvrant une vanne 17 de sortie du réservoir concerné, en commençant par le réservoir R3 à plus basse pression. Une fois qu’une pression souhaitée est atteinte dans le réservoir 30 à tester, on referme la vanne 17 du réservoir concerné et on ouvre celle du réservoir suivant pour augmenter la pression dans le réservoir à tester. Arrivée au dernier réservoir R8 sous 718 bars, sa vanne de sortie 17 est ouverte jusqu’à ce que la pression dans le réservoir à tester 30 soit de 600 bars. Une fois cette pression atteinte, on isole le réservoir R8 en refermant sa vanne de sortie 17.
On contrôle la teneur en hélium dans le réservoir à tester avec un analyseur 28 et on réalise un appoint en hélium si besoin à partir d’un réservoir tampon 18 d’hélium sous 750 bars. Le réservoir tampon 18 est alimenté en hélium à partir d’un réservoir d’alimentation 19 d’hélium au moyen d’un surpresseur 20.
Une fois le test d’étanchéité terminé, on ouvre la vanne de sortie 17 du réservoir R7 afin de le raccorder au réservoir de test au moyen du circuit de transfert 16. Du fait d’une pression plus élevée dans le réservoir 30 de test, une partie du gaz traceur qui se trouvait dans ce réservoir est transférée dans le réservoir R7. Il est possible d’attendre jusqu’à équilibrage des pressions entre les le réservoir 30 de test et le réservoir R7, mais cela peut prendre une durée trop importante pénalisante pour le temps de cycle de la machine. Il est ainsi avantageux de stopper le transfert entre les deux réservoirs lorsque l’écart de pressions entre ceux-ci a atteint une valeur cible. On isole ensuite le réservoir R7 en refermant sa vanne de sortie 17 et on raccorde le réservoir de test 30 avec le réservoir R6 au moyen du circuit de transfert 16 en ouvrant sa vanne de sortie 17. Une fois que l’écart de pressions cible est atteint entre ces deux réservoirs, on isole le réservoir R6 en refermant sa vanne de sortie 17 et on procède de même successivement pour les réservoirs R5 à R2 de sorte de transférer successivement dans ces réservoirs du gaz traceur contenu dans le réservoir 30 de test.
Pour limiter la perte en gaz traceur et améliorer encore un peu le rendement énergétique de la machine, la machine 1 peut comprendre un circuit de retour 24 raccordant le réservoir à tester 30 et l’aspiration de la pompe 4 permettant de transférer le gaz traceur restant dans le réservoir 30 au réservoir R2. Une vanne 22 est disposée du côté de la machine à tester 30 pour isoler le circuit de retour 24. Pendant cette étape, le mélangeur 5 est isolé par une vanne 25. A la fin de cette opération, après la fermeture de la vanne 22, une vanne 26 permet de ramener le réservoir 30 à la pression atmosphérique avant qu’il ne soit séparé de la machine.
En variante, la machine peut ne pas comprendre le circuit de retour 24 et l’ouverture de la vanne 22 peut simplement rejeter le reste de gaz testeur contenu dans le réservoir testé à l’atmosphère et ramener sa pression à la pression atmosphérique.
Ensuite, on apporte le complément de pression dans les réservoirs R3 à R8 pour les ramener à leur pression nominale avec le compresseur 12 et on raccorde un nouveau réservoir 30 à tester à la machine avant de démarrer un second cycle de test. Un appoint en gaz traceur est également réalisé dans le réservoir R2 lorsque son manomètre 15 détecte que sa pression a atteint un seuil bas.
Le tableau ci-dessous illustre un exemple de points de fonctionnements d’une machine selon la , dans lequel il est indiqué en colonne A les pressions nominales des réservoirs en début de cycle de test d’un réservoir 30, en colonne B les pressions des réservoirs après le remplissage du réservoir 30 à tester, en colonne C le volume apporté au réservoir 30 par chaque réservoir, en colonne D les pressions des réservoirs après la récupération de gaz du réservoir testé, en colonne E le volume récupéré du réservoir 30 par chaque réservoir, et en colonne F, le volume de gaz à apporter aux réservoirs pour revenir à l’état initial et démarrer un nouveau cycle de test.
Réservoirs Volume
(litres)		 A
(bars)		 B
(bars)		 C
(Nm3)		 D
(bars)		 E
(Nm3)		 F
(Nm3)
R8 300 718 621 29,0 621 - 29,0
R7 300 600 500 24,0 554 13,3 16,7
R6 300 500 400 24,0 464 19,3 10,7
R5 300 400 300 24,0 373 21,9 8,1
R4 300 300 200 20,9 277 23,1 6,9
R3 300 200 113 20,9 186 21,9 4,2
R2 1000 40 40 - 68 28,2 -
30 240 5 600 - 68 - -
Le réservoir à tester 30 a été rempli à partir des réservoirs R3 à R8 avec un volume total de gaz traceur de 142,8 Nm3. Une fois le test réalisé, 127,7 Nm3de gaz traceur ont été récupérés à partir du réservoir de test 30, soit 89 % du gaz traceur. Un appoint de 75,6 Nm3de gaz traceur a été nécessaire dans les réservoirs R3 à R8 à partir du réservoir R2, mais seulement 47,4 Nm3ont été fournis par la station de mélange 5, la différence ayant été récupéré dans le réservoir R2 lors de la vidange du réservoir testé. Seulement 16,4 Nm3seraient perdus si le réservoir devait être relié à l’atmosphère en ouvrant la vanne 26, correspondant aux 68 bars restant dans le réservoir testé après la vidange. Il est cependant avantageux de récupérer ce gaz par le circuit 24 de retour.
Plusieurs modèles de réservoirs 30 peuvent être testés sur la machine, avec des volumes et/ou des pressions de test qui peuvent varier. Lors du passage à un nouveau modèle de réservoir à tester, les niveaux de pression dans les réservoirs R3 à R8 peuvent être ajustés selon la pression de test du nouveau réservoir.
Avantageusement, pour le test du premier réservoir d’un nouveau modèle, selon la pression requise pour son test, son remplissage en gaz traceur pourra suivre une stratégie définie selon les pressions disponibles dans les réservoirs R3 à R8. Ainsi, si la pression de test est faible, par exemple de 400 bars, seuls les premiers réservoirs R3 à R6 seront mis à contribution et l’appoint en gaz de ces réservoirs après le test pourra être réalisé à partir du réservoir R7. On procèdera de même pour les tests suivants tant que la pression dans le réservoir R7 le permettra. Lorsqu’elle deviendra insuffisante, l’appoint des réservoirs R3 à R6 sera réalisé à partir du réservoir R8. Au fur et à mesure qu’un réservoir R7 et R8 a une pression insuffisante pour l’appoint, il intègre le lot des réservoirs utilisés pour le remplissage du réservoir à tester. La répartition des pressions dans ces réservoirs est ajustée à chaque fois qu’un nouveau réservoir rejoint le lot des réservoirs utilisés pour le remplissage de sorte d’optimiser l’efficacité énergétique du procédé de test.
Le nombre de réservoirs R2 à R8 est optimisé notamment selon la pression de test du réservoir, selon la variété de réservoirs à tester en termes de pression de test et de volume et selon le temps de cycle requis pour le test d’un réservoir. Il est également pris en compte les pertes de charge dans les circuits et les valeurs de Kv des vannes, celles-ci ayant un impact sur les écoulements de gaz traceur. Kv exprime le débit dans une vanne avec une perte de charge d’un bar ; s’il s’agit d’une vanne de régulation, la valeur de Kv sera différente selon le niveau d’ouverture de la vanne. Les réservoirs 30 d’hydrogène sont généralement équipés d’une vanne 27 de type « overflow ». Pour des raisons de sécurité, cette vanne se ferme lorsque le débit dépasse une valeur définie. Le débit maximal autorisé lors de la vidange d’un réservoir testé est ainsi limité par cette vanne et il doit être considéré pour le dimensionnement de la machine. De même, le volume des réservoirs R2 à R8 est choisi en fonction de ces paramètres, tous les réservoirs n’ayant pas nécessairement un même volume.
Ces choix sont réalisés après une simulation numérique d’exploitation de la machine de sorte de retenir le meilleur compromis entre le coût d’exploitation de la machine et son coût d’achat. En effet, ajouter un réservoir supplémentaire peut être avantageux pour le rendement énergétique de la machine, mais il perd son intérêt si l’économie réalisée sur l’exploitation de la machine ne compense pas le surcoût qui résulte du réservoir supplémentaire.

Claims (5)

  1. Procédé de remplissage d’une enceinte (30) avec un fluide jusqu’à atteindre une pression cible puis de vidange de ladite enceinte le moment venu, caractérisé en ce que le remplissage est effectué à partir d’une première pluralité de réservoirs (R3, R4, R5, R6, R7, R8) de pressions différentes, successivement à partir du réservoir de plus faible pression (R3) jusqu’au réservoir de plus forte pression (R8), et en ce que la vidange est effectuée en transférant du contenu du de l’enceinte (30) vers une seconde pluralité de réservoirs (R2, R3, R4, R5, R6, R7), successivement vers le réservoir (R7) de plus forte pression jusqu’au réservoir de plus faible pression (R2).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vidange est effectuée dans une seconde pluralité de réservoirs composée de réservoirs de la première pluralité de réservoirs.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’après la vidange, un appoint en fluide est réalisé dans la seconde pluralité de réservoirs, laquelle est ensuite utilisée comme première pluralité de réservoirs pour un nouveau remplissage d’une enceinte.
  4. Machine (1) de remplissage d’une enceinte (30) avec un fluide jusqu’à atteindre une pression cible puis de vidange de ladite enceinte le moment venu, caractérisé en ce qu’elle comprend une première pluralité de réservoirs (R3, R4, R5, R6, R7, R8) de pressions différentes à partir desquels est effectué le remplissage de l’enceinte et une seconde pluralité de réservoirs (R2, R3, R4, R5, R6, R7) dans lesquels est transféré le fluide de l’enceinte lors de la vidange et en ce qu’elle est apte à la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 3.
  5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la seconde pluralité de réservoirs est composée de réservoirs de la première pluralité de réservoirs.
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