WO2013041798A2 - Procede de rechauffage d'un liquide cryogenique. - Google Patents

Procede de rechauffage d'un liquide cryogenique. Download PDF

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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to the heating of a cryogenic liquid, and in particular to the heating of a cryogenic liquid contained in a tank with a gas head.
  • a cryogenic liquid in certain cryogenic applications, particularly for technical tests and scientific experiments, it may be desired to provide a cryogenic liquid at a precise temperature and pressure.
  • cryogenic rocket engines and in particular for the cavitation tests of their cryogenic propellant feed pumps, it is increasingly required to supply a flow of cryogenic liquid close to its point of contact. saturation. Indeed, in order to restrict the thickness of the tank walls in the engines propelled by such rocket motors and thus limit their mass, it tends to reduce the pressure of the tanks.
  • the liquid supplying the live fire feed pumps is close to the saturation point, which increases the possibility of cavitation phenomena in the pumps.
  • the cryogenic liquid in tanks on the ground is generally at a substantially lower temperature, and therefore further from the saturation point.
  • the aim of the invention is to propose a method of heating a cryogenic liquid contained in a cryogenic tank with a gaseous sky which makes it possible to heat the cryogenic liquid more rapidly and homogeneously.
  • this object is achieved by virtue of the fact that said cryogenic liquid is heated by injection of a hotter gas under a free surface of the cryogenic liquid.
  • the heat exchange can be carried out on a whole column of liquid, which allows a more homogeneous reheating, aided more by the convective currents inside the tank.
  • the gas of the bubbles may then partly condense and supply the liquid with the energy of its latent heat.
  • the injected gas may be a gaseous phase of the gas. cryogenic liquid.
  • cryogenic liquid solidify only at a temperature substantially lower than the temperature of the cryogenic liquid in the reservoir, so as not to clog the point of injection, and, if one wants to be able to extract after the cryogenic liquid with a certain purity, are immiscible with it.
  • degassing above the free surface of the cryogenic liquid can be carried out during gas injection below this surface in order to maintain the gas head pressure below a predetermined maximum pressure.
  • This maximum pressure can be predetermined, for example, depending on a temperature to be reached.
  • this degassing can be advantageous to approach this point of saturation, since the injection gas normally causes an increase in pressure in a closed tank.
  • too high a pressure in the tank could pose serious safety problems.
  • said cryogenic liquid may be liquid hydrogen, since its specific heat is particularly high, making it particularly difficult to heat it by other methods.
  • this method can also be considered for other cryogenic liquids.
  • said gas can be injected through an extraction point of the cryogenic liquid, thus simplifying the pipes associated with the tank, and avoiding the drilling of additional orifices in the tank, orifices which could be negative both for its insulation thermal than for its mechanical strength.
  • the invention also relates to a method for testing a cryogenic device.
  • a cryogenic liquid is reheated in a tank with a gas head by injecting a warmer gas under a free surface of the cryogenic liquid, and then supplying the cryogenic device for at least one period of time.
  • least one test of the cryogenic device It is thus possible to supply the cryogenic device with a cryogenic liquid at a precise temperature during the test.
  • said cryogenic device may comprise at least one cryogenic liquid pump, the reheating thus making it possible to supply this pump with a cryogenic liquid close to its saturation point, in order to perform a cavitation test of the pump.
  • a gas flow rate can be injected into the gaseous surface of the cryogenic tank during the test to maintain the gaseous air pressure above the saturation pressure of the cryogenic liquid. It is thus avoided that, following cryogenic liquid extraction from the cryogenic tank, the pressure in the cryogenic tank falls below the saturation point to the desired temperature, causing vaporization of the liquid and cooling of the remaining liquid during the test. .
  • the invention also relates to a feed installation for testing a cryogenic device, comprising at least one cryogenic tank for a cryogenic liquid to be supplied to the cryogenic device.
  • this system also comprises a device for introducing into the cryogenic tank, below a free surface of the cryogenic liquid, a gas hotter than the cryogenic liquid, in order to heat the cryogenic liquid.
  • FIG. 1 schematically illustrating a feed installation for testing a cryogenic device according to one embodiment of the invention.
  • the feed system 1 according to the embodiment of the invention illustrated in FIG. 1 comprises a cryogenic tank 1 intended to receive liquid hydrogen 2 for supplying a test bench 4 with liquid hydrogen at temperature and pressure. controlled.
  • This test bench 4 may be intended, for example, to test the cold setting and / or the operation of cryogenic rocket engine elements, in particular the pumps for feeding such rocket motors. It can also be intended to test such a rocket engine as a whole.
  • the plant and method of the invention could also be used for testing other types of cryogenic devices.
  • the cryogenic tank 1 At the bottom of the cryogenic tank 1, it has a point of extraction of liquid hydrogen, in the form of an extraction rod 3, connected to the test bench 4 through a valve 5. This extraction rod 3 is however also connected, through another valve 6, to a first hydrogen gas tank 7. At its top, the cryogenic tank 1 also has a pressurization and degassing point 8 connected, through corresponding valves 9 and 10 at a second and a third hydrogen gas reservoir 11, 12.
  • the second hydrogen gas reservoir 11 is intended to receive pressurized hydrogen gas for the pressurization of the cryogenic tank 1.
  • the third reservoir of hydrogen gas 12 is intended to receive hydrogen gas from the cryogenic tank 1 during degassing thereof.
  • the valves 5, 6, 9 and 10 are connected, for their control, to a control unit 13, normally in the form of an electronic processor.
  • This control unit 13 is also connected to at least one temperature sensor 14 and a pressure sensor 15 to, respectively, the bottom and the top of the cryogenic tank 1, as well as than a flow sensor 16 in the conduit between the first hydrogen gas reservoir 7 and the cryogenic tank 1, and a level sensor 20 in the cryogenic tank 1.
  • the liquid hydrogen 2 forms a liquid column between the bottom of the tank 1 and a free surface 17. Above this free surface 17 and up to its top, the tank is occupied by hydrogen gas forming a gaseous sky 18, which makes it possible to regulate the pressure inside the cryogenic tank 1.
  • the liquid hydrogen 2 is at a temperature T 0 which should be increased to a temperature Ti to supply the test bench 4 during a first test.
  • the gaseous atmosphere 18 reigns an initial pressure po, c -
  • the initial pressure p 0; f at the bottom of the cryogenic tank 1 corresponds to this initial pressure Po, c plus that exerted by the column of liquid.
  • the pressure ⁇ , ⁇ in the first hydrogen gas reservoir 7 is clearly greater than this initial pressure p 0 , f at the bottom of the cryogenic tank 1.
  • This heat transmitted by the gaseous hydrogen bubbles to the liquid hydrogen 2 corresponds to the specific heat of hydrogen gas between its initial temperature at the bottom of the cryogenic tank and its condensation temperature, but also to its latent heat of condensation.
  • the total flow rate D r i of gaseous hydrogen condenses, and the bubbles 19 are liquefied before reaching the free surface 17.
  • the initial pressure po, c is not sufficient high, the bubbles 19 will initially pass through the column of liquid hydrogen 2 without reaching their saturation point.
  • the degassing valve 10 Since the degassing valve 10 is initially closed, if the flow rate D r 1 of gaseous hydrogen thus reaches the gaseous sky 18, it will increase the pressure of the gaseous sky 18 to a pressure pi, c at which the gas of the bubbles 19 reaches its saturation point before reaching the free surface 17. Even from this pressure pi, c , the pressure in the cryogenic tank 1 will continue to rise, albeit substantially slower, as long as hydrogen gas will be injected through the cane 3, because of the rise in the level of liquid hydrogen 2 in the cryogenic tank 1, but especially the evaporation of this liquid hydrogen 2 because of the heat received from the bubbles 19. At the same time, the temperature of the Liquid hydrogen 2 rises to saturation temperature.
  • the heating of the liquid hydrogen 2 is governed by the saturation temperature, and therefore the pressure.
  • a controlled degassing by opening the degassing valve 10, leaving a flow of hydrogen gas D r 3, i escape to the third reservoir of hydrogen gas 12 to not exceed a corresponding pressure p 2 , c in the sky 18.
  • the valve 5 is open, so as to extract, from the bottom of the cryogenic tank, a flow rate D e , i of liquid hydrogen at the temperature T 2 and pressure P2, f .
  • the valve 9 can be opened in order to pass an equivalent volume flow rate hydrogen gas from the second hydrogen gas reservoir 11 to the gaseous sky 18 of the cryogenic tank.
  • the valves 5 and 9 are closed again. If then it is desired to conduct a second test in which the liquid hydrogen 2 is supplied at a lower temperature, it can be cooled by degassing a flow of hydrogen gas D r3; 2 to the third hydrogen gas reservoir 12, by opening the degassing valve 10, in order to to pass below the saturation pressure p 3 , s of hydrogen at the temperature T 3 of the liquid hydrogen at the beginning of this cooling.
  • the vaporization of the liquid hydrogen 2 absorbs a quantity of heat equivalent to the latent heat of the mass of liquid hydrogen passing into the gaseous state, and the remaining liquid hydrogen 2 cools correspondingly to reach a temperature T 4 desired.
  • the gaseous-sky pressure 18 can be regulated with the valves 9 and 10 to obtain the desired pressure p 4 / C at the gaseous stage 18, which will be greater than that corresponding to the saturation point at the temperature T 4 .
  • the valve 5 can then be reopened to supply the test stand 3 with liquid hydrogen at the temperature T 4 and the pressure p 4 / f at the bottom of the cryogenic tank.
  • the opening and closing of the valves 5, 6, 9 and 10 can be controlled by the control unit 13 as a function of instructions from a user and / or measurements transmitted by the sensors 14. 15, 16 and 20. It should be added that the pressure at the bottom of the cryogenic tank 1 can be estimated on the basis of the gaseous pressure 18 and the level of liquid hydrogen, respectively sensed by the pressure sensor 15 and the pressure sensor. level 20.
  • an initial volume of 65.7 m 3 of liquid hydrogen 2, forming a liquid column 7 m high in a cryogenic tank 1 of 75 m 3 was heated from a temperature T 0 of 20.7 K at a temperature T 2 of 23.2 K in a time t c of 9000 seconds by injection into the cryogenic tank 1, through a cane d ' extraction 3 of 4 mm, a constant rate D r i of 4 g / s of hydrogen gas from a first hydrogen gas tank 7 at room temperature (about 293 K) and 0.57 MPa pressure.
  • the pressure in the sky gaseous 18 of the cryogenic tank first descends from an initial pressure p 3; C of 0.35 MPa to the saturation pressure p 3 (S of 0.22 MPa of the liquid hydrogen at the temperature T 3 of 23, 2 K. Then, with the continuation of the degassing, the change of state of a portion of the liquid hydrogen 2 reduces the temperature of the remaining liquid hydrogen 2 to the temperature T 4 of 20.7 K, while the pressure in the gaseous atmosphere 18 follows the saturation curve up to a pressure p 4 C of 0.12 MPa, leaving 62.2 m 3 of hydrogen at the end of this cooling step. liquid eene 2 in the cryogenic tank 1.
  • cryogenic liquid is liquid hydrogen
  • other cryogenic liquids can be heated and cooled in a similarly controlled manner.
  • the heating gas can be injected, rather than through a simple cane, through a distributor with a plurality of orifices, to reduce the size of the bubbles, and thus improve the efficiency of the exchange of heat. heat.
  • Individual characteristics of the various embodiments mentioned can of course be combined in additional embodiments. Therefore, the description and drawings should be considered in an illustrative rather than restrictive sense.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique (1) avec un ciel gazeux (18). Ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre (17) du liquide cryogénique.

Description

PROCEDE DE RECHAUFFAGE D'UN LIQUIDE CRYOGENIQUE
Arrière-plan de l'invention
La présente invention se rapporte au réchauffage d'un liquide cryogénique, et en particulier au réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir avec un ciel gazeux. Dans certaines applications cryogéniques, en particulier pour des essais techniques et des expériences scientifiques, il peut être souhaité de fournir un liquide cryogénique à une température et une pression précises. Par exemple, pour les essais de moteurs fusée cryogéniques, et en particulier pour les essais de cavitation de leurs pompes d'alimentation en ergols cryogéniques, on demande de plus en plus souvent la fourniture d'un débit de liquide cryogénique proche de son point de saturation. En effet, afin de restreindre l'épaisseur des parois des réservoirs dans les engins propulsés par de tels moteurs fusée et ainsi limiter leur masse, on tend à diminuer la pression des réservoirs. En conséquence, le liquide alimentant les pompes d'alimentation en tir réel est proche du point de saturation, ce qui augmente la possibilité de phénomènes de cavitation dans les pompes. Pour les essais de cavitation au sol, il est donc souhaitable de fournir le liquide cryogénique à une pression et une température aussi proches que possible des conditions réelles. Or, le liquide cryogénique dans des réservoirs au sol est généralement à une température sensiblement inférieure, et donc plus éloignée du point de saturation.
Afin d'augmenter la température d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir avec un ciel gazeux, c'est-à-dire un réservoir présentant une phase gazeuse au-dessus d'une surface libre du liquide cryogénique, on a notamment essayé d'apporter de l'énergie à celui-ci via un soufflage avec un gaz plus chaud. Ce soufflage était injecté dans le ciel gazeux du réservoir. Toutefois, à cause de la chaleur spécifique très élevée de tels liquides cryogéniques, le temps nécessaire pour chauffer un volume important de liquide cryogénique est normalement très long. En outre, en chauffant le liquide par le haut, on provoque une stratification sensible de la température du liquide, avec des couches plus chaudes à proximité de la surface libre, et des couches plus froides à proximité du fond, là où le liquide sera normalement extrait pour alimenter un banc d'essai. Cette solution s'avère donc généralement insuffisante pour fournir un liquide cryogénique à une température raisonnablement précise et sensiblement plus élevée que la température initiale du liquide cryogénique avant le réchauffage. Par ailleurs, elle ne permet pas d'alimenter une pompe avec une température liquide constante en fonction du temps.
Objet et résumé de l'invention
L'invention vise à proposer un procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique avec un ciel gazeux qui permette de chauffer le liquide cryogénique de manière plus rapide et homogène.
Dans au moins un mode de réalisation d'un procédé suivant l'invention, ce but est atteint grâce au fait que ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre du liquide cryogénique.
Grâce à ces dispositions, l'échange de chaleur peut s'effectuer sur toute une colonne de liquide, ce qui permet un réchauffage plus homogène, aidé de plus par les courants convectifs à l'intérieur du réservoir. Après une première partie ascendante où les bulles échangent thermiquement avec le liquide, le gaz des bulles peut ensuite en partie se condenser et fournir au liquide l'énergie de sa chaleur latente D'une manière particulièrement simple le gaz injecté peut être une phase gazeuse du liquide cryogénique. Toutefois, d'autres gaz pourraient être utilisés alternativement ou en complément, au moins s'ils sont chimiquement inertes par rapport au liquide cryogénique, ne se solidifient qu'à une température sensiblement plus basse que la température du liquide cryogénique dans le réservoir, de manière à ne pas boucher le point d'injection, et, si on veut pouvoir extraire après le liquide cryogénique avec une certaine pureté, sont immiscibles avec celui-ci.
De manière avantageuse, on peut procéder à un dégazage au-dessus de la surface libre du liquide cryogénique pendant l'injection de gaz en dessous de cette surface afin de maintenir la pression du ciel gazeux en dessous d'une pression maximale prédéterminée. Cette pression maximale peut être prédéterminée, par exemple, en fonction d'une température à atteindre. En particulier quand l'objet du réchauffage est celui de pouvoir ensuite extraire le liquide cryogénique à une pression et une température proches d'un point de saturation du liquide cryogénique, ce dégazage peut être avantageux pour approcher ce point de saturation, puisque l'injection de gaz provoque normalement une augmentation de la pression dans un réservoir fermé. En outre, une pression trop élevée dans le réservoir pourrait poser d'importants problèmes de sécurité.
En particulier, ledit liquide cryogénique peut être de l'hydrogène liquide, puisque sa chaleur spécifique est particulièrement élevée, rendant particulièrement laborieux son réchauffage par d'autres procédés. Toutefois, ce procédé peut bien aussi être envisagé pour d'autres liquides cryogéniques.
De manière particulièrement avantageuse, ledit gaz peut être injecté à travers un point d'extraction du liquide cryogénique, simplifiant ainsi les canalisations associées au réservoir, et évitant le perçage d'orifices supplémentaires dans le réservoir, orifices qui pourraient être négatifs tant pour son isolation thermique que pour sa résistance mécanique.
L'invention se rapporte aussi à une méthode d'essai d'un dispositif cryogénique. Dans au moins un mode de réalisation de cette méthode d'essai, un liquide cryogénique est réchauffé dans un réservoir avec un ciel gazeux par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre du liquide cryogénique, pour ensuite alimenter le dispositif cryogénique pendant au moins un essai du dispositif cryogénique. Il est ainsi possible d'alimenter le dispositif cryogénique avec un liquide cryogénique à une température précise pendant l'essai. En particulier, ledit dispositif cryogénique peut comporter au moins une pompe de liquide cryogénique, le réchauffage permettant alors d'alimenter cette pompe avec un liquide cryogénique proche de son point de saturation, afin d'effectuer un essai de cavitation de la pompe.
De manière particulièrement avantageuse, un débit de gaz peut être injecté dans le ciel gazeux du réservoir cryogénique pendant l'essai pour maintenir la pression du ciel gazeux au-dessus de la pression de saturation du liquide cryogénique. On évite ainsi que, suite à l'extraction de liquide cryogénique du réservoir cryogénique, la pression dans le réservoir cryogénique passe en dessous du point de saturation à la température souhaitée, provoquant une vaporisation de liquide et un refroidissement du liquide restant pendant l'essai.
Toutefois, après l'essai, il peut aussi être avantageux de dépressuriser le ciel gazeux du réservoir cryogénique en dessous de la pression de saturation du liquide cryogénique, afin de refroidir le liquide cryogénique pour un essai subséquent, en particulier lorsque le liquide cryogénique doit être fourni à une température moins élevée pour cet essai subséquent.
L'invention se rapporte aussi à une installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique, comprenant au moins un réservoir cryogénique pour un liquide cryogénique à fournir au dispositif cryogénique. Dans au moins un mode de réalisation, ce système comporte aussi un dispositif pour introduire dans le réservoir cryogénique, en dessous d'une surface libre du liquide cryogénique, un gaz plus chaud que le liquide cryogénique, afin de chauffer le liquide cryogénique.
Brève description du dessin
L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à la lecture de la description détaillée qui suit, d'un mode de réalisation représenté à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure 1 annexée, illustrant schématiquement une installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique suivant un mode de réalisation de l'invention. Description détaillée de l'invention
L'installation d'alimentation 1 suivant le mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1 comprend un réservoir cryogénique 1 destiné à recevoir de l'hydrogène liquide 2 pour alimenter un banc d'essai 4 en hydrogène liquide à température et pression contrôlées. Ce banc d'essai 4 peut être destiné, par exemple, à tester la mise à froid et/ou le fonctionnement d'éléments de moteurs fusées cryogéniques, en particulier des pompes d'alimentation de tels moteurs fusées. Il peut aussi être destiné à tester un tel moteur fusée dans son ensemble. Toutefois, l'installation et le procédé de l'invention pourraient aussi être utilisés pour l'essai d'autres types de dispositifs cryogéniques.
Au fond du réservoir cryogénique 1, celui-ci présente un point d'extraction d'hydrogène liquide, sous forme d'une canne d'extraction 3, reliée au banc d'essai 4 à travers une vanne 5. Cette canne d'extraction 3 est toutefois aussi reliée, à travers une autre vanne 6, à un premier réservoir d'hydrogène gazeux 7. A son sommet, le réservoir cryogénique 1 présente aussi un point de pressurisation et dégazage 8 connecté, à travers des vannes correspondantes 9 et 10, à un deuxième et un troisième réservoir d'hydrogène gazeux 11, 12. Le deuxième réservoir d'hydrogène gazeux 11 est destiné à recevoir de l'hydrogène gazeux pressurisé pour la pressurisation du réservoir cryogénique 1. Par contre, le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12 est destiné à recevoir de l'hydrogène gazeux provenant du réservoir cryogénique 1 lors du dégazage de celui-ci.
Les vannes 5,6,9 et 10 sont connectées, pour leur commande, à une unité de commande 13, normalement sous forme d'un processeur électronique. Cette unité de commande 13 est aussi connectée à au moins un capteur de température 14 et un capteur de pression 15 à, respectivement, le fond et le sommet du réservoir cryogénique 1, ainsi qu'à un capteur de débit 16 dans le conduit entre le premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 et le réservoir cryogénique 1, et un capteur de niveau 20 dans le réservoir cryogénique 1. En fonctionnement, l'hydrogène liquide 2 forme une colonne liquide entre le fond du réservoir 1 et une surface libre 17. Au-dessus de cette surface libre 17 et jusqu'à son sommet, le réservoir est occupé par de l'hydrogène gazeux formant un ciel gazeux 18, ce qui permet de réguler la pression à l'intérieur du réservoir cryogénique 1. Initialement, l'hydrogène liquide 2 est à une température T0 qu'il convient d'augmenter jusqu'à une température Ti pour alimenter le banc d'essai 4 pendant un premier essai. Dans le ciel gazeux 18 règne une pression initiale po,c- La pression initiale p0;f au fond du réservoir cryogénique 1 correspond à cette pression initiale Po,c plus celle exercée par la colonne de liquide. La pression ρο,η dans le premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 est clairement supérieure à cette pression initiale p0,f au fond du réservoir cryogénique 1.
Pour réchauffer l'hydrogène liquide 2, la vanne 6 est ouverte, et un débit Dri d'hydrogène gazeux est introduit dans le réservoir cryogénique 1 à travers la canne d'extraction 3. Au bout de la canne 3, ce débit Dri forme des bulles 19, d'un diamètre initial d, qui montent à travers la colonne d'hydrogène liquide 2 en échangeant de la chaleur avec celui-ci à travers leur surface. Pour un même débit gazeux, la surface d'échange, et donc la chaleur échangée augmentent avec une taille décroissante des bulles. A titre d'exemple, le tableau 1 montre la quantité d'hydrogène gazeux à température ambiante (293 K) nécessaire pour transmettre 120 MJ de chaleur en ascendant à travers d'une colonne d'hydrogène liquide à 23.2 K de 7 m de haut pour plusieurs diamètre de bulle différents : Diamètre d des Masse totale Nombre de Energie
bulles [en mm] d'hydrogène bulles [en transmise par gazeux [en kg] milliers] chaque bulle [en
Joules]
10 34 333333 0,36
20 34 40079 2,99
30 46 16160 7,42
40 56 8405 14,28
50 65 5009 23,96
60 73 3252 36,9
70 81 2256 53,19
80 87 1630 73,59
90 93 1220 98,3
100 99 943 127,21
Tableau 1 : Chaleur transmise en fonction de la taille des bulles
Cette chaleur transmise par les bulles d'hydrogène gazeux à l'hydrogène liquide 2 correspond à la chaleur spécifique de l'hydrogène gazeux entre sa température initiale au fond du réservoir cryogénique et sa température de condensation, mais aussi à sa chaleur latente de condensation. Ainsi, dans le cas optimal, le débit total Dri d'hydrogène gazeux se condense, et les bulles 19 sont liquéfiées avant d'arriver à la surface libre 17. Toutefois, si la pression initiale po,c n'est pas suffisamment élevée, les bulles 19 vont initialement traverser la colonne d'hydrogène liquide 2 sans atteindre leur point de saturation. Comme la vanne de dégazage 10 est initialement fermée, si le débit Dri d'hydrogène gazeux atteint ainsi le ciel gazeux 18, il fera augmenter la pression du ciel gazeux 18 jusqu'à une pression pi,c à laquelle le gaz des bulles 19 atteint bien son point de saturation avant d'atteindre la surface libre 17. Même à partir de cette pression pi,c, la pression dans le réservoir cryogénique 1 continuera à monter, quoique de manière sensiblement plus lente, tant que de l'hydrogène gazeux sera injecté à travers la canne 3, à cause de la montée du niveau d'hydrogène liquide 2 dans le réservoir cryogénique 1, mais surtout de l'évaporation de cet hydrogène liquide 2 à cause de la chaleur reçue des bulles 19. En même temps, la température de l'hydrogène liquide 2 monte jusqu'à la température de saturation. Ainsi, le réchauffage de l'hydrogène liquide 2 est régi par la température de saturation, et donc la pression. Afin d'éviter une surpression qui puisse endommager le réservoir cryogénique 1, et aussi pour éviter que l'hydrogène liquide 2 dépasse la pression p2,f à laquelle on souhaite l'extraire du réservoir cryogénique 1 pendant le premier essai, on peut procéder à un dégazage contrôlé en ouvrant la vanne de dégazage 10, laissant un débit d'hydrogène gazeux Dr3,i s'échapper vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12 pour ne pas dépasser une pression p2,c correspondante dans le ciel gazeux 18. Quand la température et la pression souhaitées sont établies dans l'hydrogène liquide 2, on peut fermer les vannes 6 et 10 et procéder au premier essai. Pour alimenter le banc d'essai 4 en hydrogène liquide 2, la vanne 5 est ouverte, de manière à extraire, du fond du réservoir cryogénique, un débit De,i d'hydrogène liquide à la température T2 et pression P2,f. En même temps, pour maintenir cette pression p2,f dans l'hydrogène liquide 2 et la pression p2|C correspondante au ciel gazeux 18, ou pour les augmenter, la vanne 9 peut être ouverte afin de laisser passer un débit volumique équivalent d'hydrogène gazeux du deuxième réservoir d'hydrogène gazeux 11 vers le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique. On maintient ainsi les conditions de l'essai, et on évite surtout que, pendant l'extraction d'hydrogène liquide 2, la pression dans le réservoir cryogénique 1 puisse passer en dessous de la pression de saturation p2(S de l'hydrogène à la température T2, ce qui pourrait faire bouillonner l'hydrogène liquide 2, et donc refroidir l'hydrogène liquide.
A la fin de ce premier essai, les vannes 5 et 9 sont à nouveau fermées. Si ensuite on souhaite procéder à un deuxième essai dans lequel l'hydrogène liquide 2 soit fourni à une température moins élevée, on peut procéder à un refroidissement de celui-ci en procédant à un dégazage d'un débit d'hydrogène gazeux Dr3;2 vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12, en ouvrant la vanne de dégazage 10, afin pour passer en dessous de la pression de saturation p3,s de l'hydrogène à la température T3 de l'hydrogène liquide au début de ce refroidissement. La vaporisation de l'hydrogène liquide 2 absorbe une quantité de chaleur équivalente à la chaleur latente de la masse d'hydrogène liquide passant à l'état gazeux, et l'hydrogène liquide 2 restant se refroidit de manière correspondante, pour arriver à une température T4 souhaitée. Ensuite, la pression au ciel gazeux 18 peut être régulée avec les vannes 9 et 10 pour obtenir la pression souhaitée p4/C au ciel gazeux 18, qui sera supérieure à celle correspondant au point de saturation à la température T4. La vanne 5 peut alors être ouverte à nouveau pour alimenter le banc d'essai 3 en hydrogène liquide à la température T4 et la pression p4/f au fond du réservoir cryogénique.
Pendant toutes ces opérations, l'ouverture et la fermeture des vannes 5,6,9 et 10 peut être pilotée par l'unité de commande 13 en fonction d'instructions d'un utilisateur et/ou de mesures transmises par les capteurs 14,15,16 et 20. Il faut ajouter que la pression au fond du réservoir cryogénique 1 peut être estimée sur base de la pression au ciel gazeux 18 et du niveau d'hydrogène liquide, captés respectivement par le capteur de pression 15 et le capteur de niveau 20.
Dans un exemple d'une étape de réchauffement d'hydrogène liquide suivant le mode de réalisation décrit, un volume initial de 65,7 m3 d'hydrogène liquide 2, formant une colonne liquide de 7 m de haut dans un réservoir cryogénique 1 de 75 m3, a été réchauffé d'une température T0 de 20,7 K à une température T2 de 23,2 K en un temps tc de 9000 secondes par injection dans le réservoir cryogénique 1, à travers une canne d'extraction 3 de 4 mm de diamètre, d'un débit constant Dri de 4 g/s d'hydrogène gazeux provenant d'un premier réservoir d'hydrogène gazeux 7 à température ambiante (environ 293 K) et 0,57 MPa de pression. Pendant ce réchauffement, la pression dans le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique est montée d'une pression initiale p0,c de 0,12 MPa à une pression p2,c de 0,29 MPa. Dans un exemple d'une étape de refroidissement d'hydrogène liquide suivant le mode de réalisation décrit, un volume initial de 66,2 m3 d'hydrogène liquide 2, formant une colonne liquide de 7 m de haut dans un réservoir cryogénique 1 de 75 m3, a été refroidi d'une température T3 de 23,2 K à une température T4 de 20,7 K en un temps tf de 5400 s par le dégazage d'un débit d'hydrogène gazeux Dr3(2 de l'ordre de 50 g/s vers le troisième réservoir d'hydrogène gazeux 12. Pendant ce dégazage, la pression dans le ciel gazeux 18 du réservoir cryogénique descend d'abord d'une pression initiale p3;C de 0,35 MPa à la pression de saturation p3(S de 0,22 MPa de l'hydrogène liquide à la température T3 de 23,2 K. Ensuite, avec la continuation du dégazage, le changement d'état d'une partie de l'hydrogène liquide 2 fait descendre la température de l'hydrogène liquide 2 restant jusqu'à la température T4 de 20,7 K, tandis que la pression dans le ciel gazeux 18 suit la courbe de saturation jusqu'à une pression p4 C de 0,12 MPa. Il reste, à la fin de cette étape de refroidissement, 62,2 m3 d'hydrogène liquide 2 dans le réservoir cryogénique 1.
Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à un exemple de réalisation spécifique, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien que dans le mode de réalisation décrit le liquide cryogénique soit de l'hydrogène liquide, d'autres liquides cryogéniques peuvent être réchauffés et refroidis de façon contrôlée de la même manière. En outre, le gaz de réchauffage peut être injecté, plutôt qu'à travers une simple canne, à travers un distributeur avec une pluralité d'orifices, afin de diminuer la taille des bulles, et améliorer ainsi d'efficacité de l'échange de chaleur. Des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent bien sûr être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réchauffage d'un liquide cryogénique contenu dans un réservoir cryogénique (1) avec un ciel gazeux (18), caractérisé en ce que ledit liquide cryogénique est chauffé par injection d'un gaz plus chaud sous une surface libre (17) du liquide cryogénique.
2. Procédé de réchauffage suivant la revendication 1, dans lequel le gaz injecté est une phase gazeuse du liquide cryogénique.
3. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel on procède à un dégazage au-dessus de la surface libre (17) du liquide cryogénique pendant l'injection de gaz en dessous de cette surface afin d'éviter que la pression au ciel gazeux (18) dépasse une pression maximale prédéterminée.
4. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit gaz est injecté à travers un point d'extraction du liquide cryogénique.
5. Procédé de réchauffage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit liquide cryogénique est de l'hydrogène liquide (2).
6. Méthode d'essai d'un dispositif cryogénique, dans laquelle un liquide cryogénique est réchauffé selon un procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, pour ensuite alimenter le dispositif cryogénique pendant au moins un essai dudit dispositif cryogénique.
7. Méthode d'essai suivant la revendication 6, dans laquelle ledit dispositif cryogénique comporte au moins une pompe de liquide cryogénique.
8. Méthode d'essai suivant l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans laquelle un débit de gaz est injecté dans le ciel gazeux (18) du réservoir cryogénique (1) pendant l'essai pour maintenir la pression du ciel gazeux au-dessus de la pression de saturation du liquide cryogénique.
9. Méthode d'essai suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle le ciel gazeux (18) du réservoir cryogénique (1) est dépressurisé en dessous de la pression de saturation du liquide cryogénique après l'essai afin de refroidir le liquide cryogénique pour un essai subséquent.
10. Installation d'alimentation pour l'essai d'un dispositif cryogénique, comprenant au moins un réservoir cryogénique (1) pour un liquide cryogénique à fournir au dispositif cryogénique et étant caractérisé en ce qu'il comporte aussi un dispositif pour introduire dans le réservoir, en dessous d'une surface libre (17) du liquide cryogénique, un gaz plus chaud que le liquide cryogénique, afin de chauffer le liquide cryogénique.
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