LU88646A1 - Dispositif de remplissage d'un réservoir de gaz liquéfié - Google Patents

Description

Dispositif de remplissage d’un réservoir de gaz liquéfié.

La présente invention concerne un dispositif de remplissage d’un réservoir de gaz liquéfié. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de remplissage de grands réservoirs de gaz liquéfié, tels que des réservoirs stationnaires.

Le remplissage des réservoirs stationnaires de gaz liquéfié se fait par des camions citerne. A cette fin le camion citerne est raccordé par un tuyau flexible d'un diamètre intérieur de l’ordre de 2" à un dispositif de remplissage du réservoir. Sur les réservoirs actuellement en service, ce dispositif de remplissage comporte essentiellement un manchon de raccord pour le tuyau flexible et une soupape anti-retour.

Pour des raisons de sécurité le réservoir ne doit jamais être rempli plus que 80%. En effet, il faut conserver au-dessus du gaz liquéfié une zone gazeuse qui peut faire tampon en cas de réchauffement du réservoir. Pour garantir le respect de cette règle de sécurité, le réservoir stationnaire est équipé d'une jauge fixe. Cette dernière comprend essentiellement un tube plongeur équipé d’un robinet. Le tube plongeur présente dans le réservoir une embouchure terminale qui se situe à la hauteur du niveau de remplissage maximal, c’est-à-dire au niveau le plus haut admissible pour l’interphase liquide/gaz. Si la phase liquide est nettement en dessous de cette embouchure, la jauge fixe débite une phase gazeuse incolore. Si la phase liquide se rapproche de cette embouchure, la jauge fixe commence à débiter un brouillard de gaz blanchâtre, qui devient de plus en plus épais lorsque le niveau monte.

Lors du remplissage du réservoir, l’opérateur du camion citerne observe constamment la jauge fixe et ferme progressivement un robinet d’arrêt sur la conduite de remplissage lorsque du brouillard commence à s’échapper la jauge fixe, et ceci jusqu’à-ce que la fermeture complète du robinet d’arrêt termine l’opération de remplissage.

Il importe de noter que la fermeture du robinet d’arrêt ne doit pas se faire de façon abrupte. En effet, une fermeture trop abrupte du robinet d’arrêt risque de produire un coup de bélier important dans le tuyau flexible de remplissage du camion citerne, vu que ce tuyau flexible a un diamètre intérieur et une longueur assez importants. Or, un coups de bélier important dans la conduite de remplissage peut causer par exemple la rupture d’une connexion, ce qui produit une fuite de gaz et peut être à l’origine d’accidents graves.

Pour les bouteilles de gaz et les petits réservoirs de gaz liquéfié pour voitures automobiles, qui sont remplis sur des stations de remplissage à l’aide de tuyaux flexibles de faible diamètre intérieur et de faible longueur, on connaît des dispositifs de remplissage qui interrompent instantanément le remplissage du réservoir lorsqu’une hauteur limite de remplissage est atteinte. A cette fin ces dispositifs de remplissage connus sont munis d’un flotteur qui agit à l’aide d’une came sur une soupape de niveau pour fermer cette dernière au moment où le flotteur se trouve dans une position prédéterminée. Cette soupape de niveau commande la fermeture instantanée d’une soupape d’arrêt qui est intégrée dans le dispositif et qui est apte à interrompre de façon quasi instantanée le flux de gaz liquéfié dans le réservoir. La soupape d’arrêt comprend un siège, un piston d’obturation déplaçable axialement par rapport audit siège et un ressort de fermeture associé au piston de façon à exercer sur ce dernier une force de fermeture en direction du siège. Le piston délimite axialement dans le corps du dispositif une chambre de pression qui est mise en communication avec le réservoir par ouverture de la soupape de niveau. Un passage de gaz traverse axialement le piston de façon à présenter une embouchure dans la surface frontale du piston et à relier cette embouchure à la chambre de pression. Aussi longtemps que la soupape de niveau est ouverte, la pression dans la chambre de pression est inférieure à la pression dans l'embouchure dans la surface frontale du piston, et le piston obturateur subit lors du remplissage une résultante de forces de pression qui agit contre le ressort de fermeture pour maintenir le piston en position ouverte. Si le niveau haut de la phase liquide dans le réservoir est atteint, le flotteur autorise abruptement la fermeture de la soupape de niveau, et la pression dans la chambre de pression atteint quasi instantanément la même valeur qu’en amont du piston. Il n’y a plus de force de pression notable qui s’oppose à la force de fermeture du ressort, et ce dernier pousse maintenant le piston obturateur sur son siège pour interrompre le flux de gaz liquéfié quasi instantanément lorsque le niveau haut de la phase liquide dans le réservoir est atteint.

Sur les petits réservoirs, tels que les bouteilles à gaz et les petits réservoirs de gaz liquéfié pour voitures automobiles, les dispositifs décrits ci-dessus sont utilisés avec succès depuis une quinzaine d’années. Cependant, des dispositifs de ce genre n’ont jamais été construits pour des débits de remplissage supérieurs à 50 l/min, c’est-à-dire avec des diamètres de passage au niveau des sièges supérieurs à 10 mm. En effet, le principe de fonctionnement de ces dispositifs connus implique nécessairement une interruption très abrupte du flux de gaz liquéfié, de sorte qu’ils provoqueraient inévitablement des coups de béliers dans les tuyaux flexibles de remplissage de diamètre et de longueur importants, lorsqu’ils seraient construits avec diamètres de passage plus grands que 10 mm pour permettre le remplissage de grands réservoirs avec des débits de gaz liquéfié supérieurs à 50 l/min.

Un problème à la base de la présente invention est de proposer un dispositif pour le remplissage de grands réservoirs de gaz liquéfié avec un débit de gaz liquéfié supérieur à 50 l/min, qui interrompt automatiquement le remplissage du réservoir de façon fiable lorsque le niveau de phase liquide dans le réservoir atteint la limite de sécurité (remplissage à 80%), tout en évitant de provoquer des coups de bélier dans un tuyau flexible de remplissage de diamètre et de longueur importants. Ce problème trouve une solution dans un dispositif selon la première revendication.

Le dispositif selon l’invention est parfaitement apte à interrompre automatiquement, c’est-à-dire sans intervention humaine, des débits de gaz liquéfié de loin supérieurs à 50 l/min, sans provoquer des coups de bélier dans un tuyau flexible de remplissage de diamètre et de longueur importants. Il sera noté que dans le dispositif selon l'invention, la soupape de niveau se ferme instantanément lorsque un niveau seuil est atteint dans le réservoir, ce qui garantit la fiabilité du dispositif. Cependant, le mouvement de fermeture de la soupape d’arrêt, qui est déclenché par la fermeture abrupte de la soupape de niveau, est sensiblement décéléré. Ceci est possible en faisant appel à des moyens pour contrôler, après fermeture de ladite soupape de niveau, la résultante des forces de pression agissant sur le piston, de façon que cette résultante de forces de pression s’oppose à l’action du ressort de fermeture pour décélérer le mouvement de fermeture dudit piston d’obturation et ainsi éviter un coup de bélier dans un tuyaux de remplissage raccordé audit raccord. C’est un mérite incontestable de la présente invention d’avoir compris que la vitesse du mouvement de fermeture de la soupape d'arrêt peut être limitée par des moyens très simples sans affecter la fiabilité du dispositif. Ceci permet de maîtriser efficacement le problème du coup de bélier lorsqu’on utilise des tuyaux flexibles de remplissage de grand diamètre intérieur et de longueur importante. Il sera par conséquent apprécié que la présente invention propose le premier dispositif de remplissage avec interruption automatique du remplissage, qui est parfaitement adapté pour l'utilisation sur des réservoirs de gaz liquéfié de grand volume qui sont remplis qui sont remplis avec des débits supérieurs à 50 l/min.

Pour limiter la vitesse du mouvement de fermeture de la soupape d'arrêt on peut par exemple avoir recours à une des mesures suivantes: • augmentation de perte de charge du gaz dans ledit passage à travers le piston; • augmentation du volume de la chambre de pression; • fuite contrôlée du gaz de la chambre de pression dans le réservoir lorsque la soupape de niveau est fermée; • conception du piston de la soupape d’arrêt du dispositif sous forme d’un piston étagé, de façon que la résultante des forces de pression, qui agissent sur le piston lorsque la pression dans ladite chambre de pression est sensiblement égale à la pression de remplissage, s’oppose au ressort jusqu’à fermeture complète de la soupape d’arrêt.

L’invention sera décrite plus en détail ci-dessous, en se référant à titre d'illustration aux dessins annexés, dans lesquels: - la Figure 1 est une coupe verticale à travers un dispositif de remplissage selon la présente invention; - la Figure 2 est une coupe verticale à travers une variante d’exécution de la partie inférieure du dispositif de remplissage selon la Figure 1.

La Figure 1 représente un dispositif de remplissage selon l’invention qui est monté sur un réservoir stationnaire 12 pour gaz liquéfié. La référence 14 indique la phase liquide du gaz liquéfié dans ce réservoir 12. Il sera noté que le dispositif comprend deux parties principales, à savoir: un manchon raccord 16 et une soupape d’arrêt 18 commandée par un flotteur 20.

Le manchon raccord 16 comprend un premier filet 22 sur lequel peut être raccordé (par exemple vissé) de façon étanche un raccord complémentaire (non montré) d’un tuyau flexible de remplissage d’un camion citerne. Ces tuyaux flexibles ont généralement un diamètre intérieur de l’ordre de 2” et les débits de remplissage sont largement supérieurs à 50 l/min.

Sur la Figure 1 le manchon raccord 16 est montré avec un capuchon de protection 24 qui est vissé sur le premier filet 22. Avant d’y raccorder un tuyau flexible, il faut naturellement d’abord dévisser ce capuchon de protection 24. A l’aide d’un filet 26, le manchon raccord 16 est monté de façon étanche dans une tubulure filetée 28 du réservoir 12. Dans le manchon raccord 16 est de préférence intégrée une soupape anti-retour 30. Cette dernière comporte un élément d’obturation 32 qui est poussé par un ressort de fermeture 34 de façon étanche contre son siège 36. Le ressort de fermeture 34 est dimensionné de façon que lors du remplissage du réservoir 12 la pression de remplissage en amont du sièqe 36 maintienne la soupape anti-retour 30 ouverte.

La soupape d’arrêt 18, qui est commandée par le flotteur 20, comprend un corps tubulaire 38 qui est de préférence vissé dans le manchon raccord 16, de façon à prolonger ce dernier à l’intérieur du réservoir 12. Le corps tubulaire 38 comprend, à une certaine distance de la soupape anti-retour 30, un siège 42.

Les sièges 36 et 42 ont une section de passage adaptée au débit de remplissage désiré. Pour le remplissage de réservoirs avec des débits de l’ordre de 100 l/min, un diamètre de la section de passage des sièges de l’ordre de 15 mm serait parfaitement adapté.

En dessous de ce siège 42, le corps tubulaire 38 est muni d’embouchures latérales dans le réservoir 12. Ces embouchures sont de préférence réalisées sous forme de deux fenêtres qui sont agencés symétriquement par rapport au plan de la Figure 1, c’est-à-dire symétriquement par rapport au plan de pivotement du flotteur 20, afin d’influencer le moins possible le fonctionnement de ce flotteur. Aucune de ces deux fenêtres n’est visible dans la section longitudinale représentée sur la Figure 1, puisque la fenêtre arrière est cachée par le piston 46. Un piston obturateur 46 est ajusté dans une chambre agencée dans le corps tubulaire 38 en dessous du siège 42. Ce piston obturateur 46, qui est apte à coulisser axialement dans cette chambre et à fermer de façon étanche le siège 42, est soumis à l’action d’un ressort 48 qui agit en direction du siège 42. Un joint annulaire 47 assure l’étanchéité entre le piston 46 et la paroi de la chambre en dessous des fenêtres latérales, de façon que le piston délimite axialement vers le haut, en dessous des fenêtres latérales, une chambre de pression 44.

L’extrémité inférieure du corps tubulaire 38 est fermée par une soupape de commande 50, appelée encore soupape de niveau 50. Elle comprend un organe d’obturation 52 auquel est associé un siège 54. L’organe d’obturation 52 est apte à se déplacer axialement dans un logement agencé au-dessus du siège 54. En position fermée, l’organe d’obturation 52 est maintenu de façon étanche avec une surface d’étanchéité sensiblement sphérique en appui sur son siège 54, qui est de préférence équipé d’un joint d’étanchéité torique en matière élastomère. En position ouverte de la soupape de niveau 50, l’organe d’obturation 52 est maintenu en position soulevée au dessus de son siège 54, de façon à définir un passage annulaire à travers lequel ladite chambre de pression 44 est en communication avec le réservoir 12.

L’organe d’obturation 52 est prolongé par un pied 60 à travers le siège 54 de la soupape de niveau 50, de façon à pouvoir coopérer avec une came 62, qui est montée de façon pivotante dans une chape 64. Cette came 62 comporte un contour profilé 66, 68 sur lequel le pied 60 de l’organe d’obturation 52 prend appui. Le pivotement de la came 62 est engendré par le flotteur 20 sous l'effet de la montée ou de la descente du niveau de gaz liquéfié dans le réservoir 12.

Aussi longtemps que le flotteur 20 se trouve en dessous de la position qui correspond au niveau de remplissage maximal, l’organe d’obturation 52 de la soupape de niveau se trouve en position soulevée, en appui avec son pied 60 sur un profil cylindrique 66 de la came 62 dont le centre de courbure est localisé sur l'axe de pivotement de la came 62. La soupape de niveau est ouverte, et ladite chambre de pression 44 est en communication avec l’intérieur du réservoir 12 à travers un orifice annulaire de section quasi constante. Lorsque le flotteur 20 atteint la position qui correspond au niveau de remplissage maximal du réservoir 12, le pied 60 de l’organe d’obturation 52, qui peut adopter une position légèrement inclinée dans son logement, glisse quasi instantanément le long d’une pente 68 de la came 62, et l’organe d’obturation 52 se met en appui étanche sur son siège 54 à l’aide de sa surface d’étanchéité sensiblement sphérique. La soupape de niveau 52 se ferme par conséquent instantanément lorsque le seuil de remplissage limite est atteint.

En vue du remplissage du réservoir 12, un tuyau flexible de remplissage d’un camion citerne est connecté au manchon de raccord 16. Le gaz liquéfié pénètre sous pression dans le manchon de raccord 16 où il ouvre la soupape anti-retour 30 pour remplir le corps tubulaire 38 en amont du siège 42 fermé de façon étanche par le piston 46. Ce dernier est poussé par la pression du gaz contre l’action du ressort 48 dans une position d’ouverture, dans laquelle il ouvre le siège 42 pour libérer l’accès aux deux fenêtres latérales. Le gaz liquéfié peut maintenant s’écouler à travers ces deux fenêtres latérales dans le réservoir 12. Il sera noté que dans ladite chambre de pression 44 ne s'établit qu’une faible contre-pression, puisque cette chambre est en communication directe avec l’intérieur du réservoir 12 à travers la soupape de niveau 52 en position ouverte.

Lorsque la phase liquide monte dans le réservoir, le flotteur 20 et la came 62 solidaire du flotteur 20 pivotent dans le sens de la flèche 21 pour atteindre finalement la position angulaire montrée sur la Figure 1, qui correspond au moment ou le niveau haut de la phase liquide est quasi atteint. Dans cette position le corps d’obturation 52, qui est soumis à une résultante de forces de pression orientée vers le bas, est en appui avec son pied 60 dans une position d’équilibre instable entre les deux profils 66 et 68 de la came 60. L’instant après, le pied 60 glisse le long de la pente 68 de la came 62 et le corps d’obturation 52 se met de façon abrupte en appui étanche sur son siège 54. Le corps d’obturation 52 est alors dans une position d’équilibre stable dans laquelle il est peu sensible à des oscillations du flotteur 20, qui sont éventuellement produites par des vagues en surface de la phase liquide. La soupape de niveau 50 se ferme par conséquent quasi instantanément lorsque le niveau haut dans le réservoir est atteint.

Dans le dispositif selon l’invention montré sur la Figure 1, le piston 46 ne réagit que très doucement à cette fermeture abrupte de la soupape de niveau 50. Il sera noté que le piston 46 comprend, comme les pistons des dispositifs de remplissage à flotteur connus des bouteilles de gaz ou des réservoirs de gaz liquéfié pour voitures, un passage de communication 70 qui fait communiquer la deuxième chambre de pression 44 avec la pression régnant directement en amont du piston. Cependant, selon la présente invention, ce passage est dimensionné de façon à présenter une perte de charge beaucoup plus importante afin de ne permettre qu’un accroissement lent de la pression à l’intérieur de ladite chambre de pression 44 après fermeture de la soupape de niveau 50. Il s’ensuit que la résultante des forces de pression exercées sur le piston, qui est orientée vers le bas et s’oppose au ressort 48, ne diminue que lentement, et que le ressort 48 ne produit qu'une accélération modérée du piston 46. En créant une perte de charge suffisamment élevée dans le passage de communication 70, on obtient dès lors un mouvement de fermeture suffisamment lent du piston 46 pour éviter un coup de bélier dans le tuyau flexible de remplissage. Cependant, dans certaines applications une perte de charge suffisamment élevée pour éviter un coup de bélier nécessiterait une section libre trop petite pour le passage 70, qui risquerait de se boucher.

Dans un tel cas on peut par exemple augmenter le volume de ladite chambre de pression 44. Il en résulte un accroissement plus lent de la contre-pression dans ladite chambre de pression 44 et une diminution plus lente de la résultante des forces de pression qui s'oppose à l'action du ressort 48. Alternativement ou supplémentairement, on peut aussi créer, à l’aide d’un orifice de communication supplémentaire entre la chambre de pression 44 et le réservoir 12, un débit de fuite de ladite chambre de pression 44 vers l'intérieur du réservoir 12, ce qui permet de ralentir davantage l’accroissement de la contre-pression dans ladite chambre de pression 44 lors de la fermeture de la soupape de niveau 50.

La Figure 2 montre une variante d’exécution dans laquelle on obtient un mouvement de fermeture suffisamment lent du piston 46 pour éviter un coup de bélier dans la conduite de remplissage, sans avoir nécessairement recours à un passage de communication 70 à section de passage très étroite.

Dans l’exécution de la Figure 2 le piston obturateur est un piston étagé 46’, qui comprend un premier étage de section transversale S1 et un deuxième étage de section transversale S2 plus petite que la section transversale S1. Le premier étage du piston 46’ forme à son extrémité un cône d’obturation apte à s’asseoir de façon étanche sur le siège 42, qui a une section libre SO. Un joint annulaire 47’ assure l’étanchéité entre le piston 46’ et la paroi de la chambre en dessous des fenêtres latérales, de façon que le piston délimite axialement vers le haut une chambre 45 en dessous des fenêtres latérales. La chambre 45 est en communication avec l’intérieur du réservoir 12 à travers des orifices latéraux 49. Le deuxième étage du piston 46’ est ajusté de façon étanche une de section transversale S2, et délimite dans celle-ci une chambre de pression 44’, qui correspond du point de vue fonction à la chambre de pression 44 de la Figure 1. Un deuxième joint d’étanchéité 47", qui est agencé sur le deuxième étage du piston 46’, délimite la chambre 44’ axialement de façon étanche de la chambre 45.

A travers un passage de communication 70’ dans le piston 46’, la chambre 44’ est en communication avec le gaz liquéfié en amont du piston 46’. Lorsque la soupape de niveau 50 se ferme, la pression dans la chambre 44’ s’accroît pour atteindre sensiblement la même valeur que la pression en amont du piston 46'. Puisque dans la chambre 45 règne la pression du réservoir, il s’ensuit que le piston 46’ reste exposé à une résultante de forces de pression qui est orientée vers le bas et dont le module est sensiblement égale au produit (p-pO)(S1-S2), où p est la pression en amont du piston et pO est la pression dans la chambre 45. Cette force de pression continue à s’opposer à la force de fermeture du ressort 48’ et réduit ainsi sensiblement la vitesse du mouvement de fermeture du piston 46’. Lorsque le piston est finalement en appui étanche sur son siège, le piston 46’ est exposé à une résultante de forces de pression, dont le module est égale au produit (p-p0)(S2-S0) si la soupape de niveau est fermée. Cette résultante de forces de pression est orientée vers le haut si S2 > S0, de façon qu’elle contribue à maintenir le piston 46’ en appui sur son siège jusqu’à fermeture de la soupape anti-retour 30.

Claims (8)

1. Dispositif pour le remplissage d’un grand réservoir de gaz liquéfié dimensionné pour des débits de remplissage supérieurs à 50 l/min, comprenant un raccord pour des tuyaux de remplissage de grand diamètre, ainsi qu’une soupape anti-retour intégrée dans un corps tubulaire pénétrant dans ledit réservoir, caractérisé: par une soupape d’arrêt comprenant dans ledit corps tubulaire un siège, un piston d’obturation déplaçable axialement par rapport audit siège et un ressort de fermeture associé au piston de façon à exercer sur ce dernier une force de fermeture en direction du siège, ledit piston d’obturation étant agencé dans ledit corps tubulaire de façon à y délimiter axialement une chambre de pression, et étant muni d’un passage reliant une embouchure dans la surface frontale du piston côté siège à ladite chambre de pression, par une soupape de niveau en communication avec ladite chambre de pression, cette soupape de niveau étant apte à établir une communication entre ladite chambre de pression et l’intérieur du réservoir lorsque le niveau de la phase liquide dans le réservoir est en dessous d’un niveau seuil, respectivement obturer instantanément ladite communication entre ladite chambre de pression et l’intérieur du réservoir lorsque ledit niveau seuil est atteint, de sorte que la fermeture de ladite soupape de niveau déclenche un mouvement de fermeture dudit piston d’obturatron par pressurisation de ladite chambre de pression; et par des moyens pour contrôler, après fermeture de ladite soupape de niveau, la résultante des forces de pression agissant sur le piston de façon que cette résultante de forces de pression s’oppose à l’action du ressort de fermeture pour décélérer le mouvement de fermeture dudit piston d’obturation et ainsi éviter un coup de bélier dans un tuyaux de remplissage raccordée audit raccord.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des premiers moyens pour contrôler la vitesse d’accroissement de la pression dans ladite chambre de pression après fermeture de ladite soupape de niveau.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent des moyens pour créer une perte de charge élevée dans ledit passage à travers le piston.

4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens comprennent des moyens pour augmenter le volume de ladite chambre de pression, de façon à ralentir l’accroissement de la pression dans ladite chambre de pression après fermeture de ladite soupape de niveau.

5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé par des moyens pour produire une fuite contrôlée pour le gaz de la chambre de pression vers le réservoir lorsque la soupape de niveau est fermée.

6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit piston d’obturation est réalisé sous forme d’un piston étagé, présentant directement en aval de son siège une surface transversale S1, qui est exposée à la pression directement en aval de son siège, présentant dans ladite chambre de pression une surface transversale S2 < S1, qui est exposée à la pression dans ladite chambre de pression, et présentant dans une chambre intermédiaire qui est en communication avec le réservoir une surface annulaire S1-S2, qui est exposée à la pression du réservoir.

7. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le siège présente une section libre SO < S2.

8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le siège de ladite soupape d’arrêt a un diamètre de passage supérieur à 12 mm.