WO2020099410A1 - Procédé de contrôle d'un réservoir cryogénique, réservoir cryogénique et bâtiment sous-marin correspondants - Google Patents

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temperature
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pressure
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Yannick RIO
Caroline SOLEILHAC
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Naval Group
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Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a cryogenic tank comprising an enclosure containing a liquefied gas, the liquefied gas forming a liquid phase and a gaseous phase in the enclosure, the method comprising the following step: measurement of a parameter representative of a pressure in the gas phase and a parameter representative of a pressure in the liquid phase.
  • the invention also relates to a cryogenic tank and an underwater building comprising such a tank.
  • Anaerobic propulsion systems (or Al P, abbreviation for Air Independent Propulsion in English) are a relatively recent type of energy production system for submarines that can operate for a long time without using outside air. This prevents the anaerobic submarine from taking out its tube of fresh air (or snorkel), thus limiting the need for ascent close to the surface, and therefore its vulnerability.
  • the anaerobic propulsion system provides conventional submarines with a significant improvement in their diving autonomy (a few days, compared to a few dozen hours for a conventional propelled submarine) and therefore their discretion.
  • Anaerobic propulsion systems include in particular conventional combustion engines using standard fuel, such as diesel engines, and as an oxidizer of oxygen stored in liquid form on board the submarine, in a cryogenic tank. Liquid dioxygen can also be used to replenish part of the air breathed by the crew, which further increases autonomy.
  • a cryogenic tank may require purges to the outside of the building, which need to be anticipated as part of a mission requiring stealth.
  • cryogenic tank poses a certain number of difficulties, in particular in an underwater building constituting a confined environment and requiring to maintain a high discretion.
  • an object of the invention is to allow more precise and more reliable management of a liquefied gas tank, in particular within an underwater building.
  • the subject of the invention is a control method of the aforementioned type, in which the method also comprises the following steps:
  • the method according to the invention has one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically feasible combination:
  • the parameter representative of the time course of the temperature of the liquid phase is a time derivative of the parameter representative of the temperature of the liquid phase
  • the first test being a comparison of the time derivative of the parameter representative of the temperature of the phase liquid with a predetermined threshold value, and the need for maintenance being signaled if the time derivative of the parameter representative of the temperature of the liquid phase is greater than the threshold value
  • the parameter representative of the time evolution of the temperature of the liquid phase is a time derivative of the temperature of the liquid phase
  • the second test comprises a calculation of a parameter representative of the continuity of the time derivative of the temperature of the liquid phase and the comparison of the parameter representative of the continuity with a predetermined threshold, the loss of thermal insulation being signaled if the parameter representative of the continuity is greater than the threshold;
  • the method further comprises the following steps:
  • cryogenic tank is located in an underwater building powered by a propulsion system including an energy production system.
  • the invention also relates to a cryogenic tank comprising:
  • a first pressure sensor arranged to measure a parameter representative of a pressure in the liquid phase
  • a second pressure sensor arranged to measure a parameter representative of a pressure of the gas phase
  • a temperature sensor arranged to measure a parameter representative of a temperature of the liquid phase
  • control module configured to control the first pressure sensor, the second pressure sensor and the temperature sensor, and to determine a total mass of the liquid phase from the temperature of the liquid phase, from the pressure in the liquid phase and gas phase pressure.
  • the invention further relates to an underwater anaerobic propulsion vessel, comprising a propulsion system comprising an energy production system and at least one cryogenic tank as defined above, the liquefied gas contained in the cryogenic tank being dioxygen and feeding the energy production system as oxidant.
  • FIG. 1 is a side view of an underwater building according to the invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a cryogenic tank of the submarine of Figure 1;
  • Figures 3 and 4 are graphical representations of the time course of a temperature of the fluid contained in the reservoir of Figure 2.
  • FIG. 1 an underwater vessel 10 is shown plunged into a body of water 12, under a surface 14 of the body of water 12.
  • submarine is meant that the vessel is suitable and intended to make completely submerged journeys, in particular for a period greater than or equal to one day. Such a building is also able to return to the surface.
  • the underwater vessel 10 comprises a hull 16 delimiting an internal space which is sealed against the body of water 12, as well as a propulsion system 18 received in the internal space and at least one propeller driven 20 by the propulsion system 18, and suitable for setting in motion the underwater vessel.
  • the submarine building 10 is an anaerobic propelled submarine, that is to say that the propulsion system 18 does not require outside air for its operation.
  • the propulsion system 18 is a thermal-electric system, which comprises, in a known manner, an electric motor 22 driving the propeller 20, an alternator 24 and a turbine 26 supplying the electric motor 22.
  • the propulsion system 18 also comprises a steam generator 28, a condenser 30 and a heat exchanger 32 driving the turbine 26, as well as an energy production system 34, more particularly a combustion chamber, generating the heat supplying the heat exchanger 32.
  • the propulsion system 18 further comprises a fuel tank 36, for example containing ethanol, and a cryogenic tank 38, containing dioxygen.
  • the fuel tank 36 and the cryogenic tank 38 supply the energy production system 34, here the combustion chamber, with fuel and oxygen respectively, which plays the role of oxidizer therein, to participate in an exothermic combustion reaction.
  • the cryogenic tank 38 is shown in more detail in FIG. 2. It comprises a storage enclosure 40 comprising a thermally insulating wall 42, in particular a double wall, defining an internal space for storing liquid oxygen.
  • the oxygen contained in the cryogenic tank 38 forms a liquid phase 44 and a gas phase 46 in the enclosure 40, separated by an upper surface 47 from the liquid phase 44.
  • the cryogenic tank 38 is shown in FIG. 2 in relation to a direction of elevation Z-Z ′ oriented in the local direction of gravity.
  • the liquid phase 44 denser than the gas phase 46, occupies a lower part of the enclosure 40, and the gas phase 46 an upper part of the enclosure 40, relative to the direction of elevation Z-Z ’.
  • the cryogenic tank 38 also comprises a first conduit 50 opening into the lower part of the enclosure 40 and a second conduit 52 opening into the upper part of the enclosure 40.
  • the first conduit 50 is in particular an inlet conduit for liquid dioxygen in the enclosure 40
  • the second conduit 52 is in particular an outlet conduit from the enclosure 40.
  • the first conduit 50 and the second conduit 52 are respectively provided with a first valve 54 and with a second valve 56, suitable for controlling the entry and exit of fluid in the enclosure 40 through the first conduit 50 and the second conduit 52.
  • the first conduit 50 and the second conduit 52 advantageously comprise thermal insulation envelopes (not shown).
  • the first conduit 50 and the second conduit 52 comprise an internal portion extending between the enclosure 40 and the first valve 54 and the second valve 56 respectively, through the wall 42.
  • the internal portion of the first conduit 50 opens out through a lower face 58 of the enclosure 40, relative to the direction of elevation Z-Z ', in order to guarantee that the first conduit 50 opens out into the liquid phase 44 even for a low filling rate of the enclosure 40.
  • the cryogenic tank 38 further comprises a first pressure sensor 60, located in the lower part of the enclosure 40 and a second pressure sensor 62, located in the upper part of the enclosure 40.
  • the first and second pressure sensors 60, 62 are adapted to measure a hydrostatic pressure respectively in the liquid phase 44 and in the gas phase 46 of the oxygen contained in the enclosure 40.
  • the first and second pressure sensors 60, 62 are suitable for measuring a parameter representative of a hydrostatic pressure respectively at a point in the liquid phase 44 and at a point in the gas phase 46.
  • representative parameter it is meant that the sensor measures a physical quantity making it possible to obtain the pressure directly by a direct calculation.
  • the parameter representative of the pressure in the liquid phase 44 is the pressure in the liquid phase 44 itself and the parameter representative of the pressure of the gas phase 46 is the pressure of the gas phase 46 itself.
  • the cryogenic tank 40 also comprises a temperature sensor 64 located in the lower part of the enclosure 40, capable of measuring a temperature of the liquid phase 44.
  • the parameter representative of the temperature of the liquid phase 44 is the temperature of the liquid phase 44.
  • the temperature sensor 64 is able to measure a parameter representative of the temperature at a point in the liquid phase 44.
  • the parameter representative of the temperature is advantageously the temperature of the liquid phase 44 itself.
  • the temperature sensor 64 is for example a platinum resistance thermometer of the PT100 type.
  • the temperature sensor 64 is located in the internal portion of the first conduit 50, opposite the lower part of the enclosure 40, so that the temperature sensor 64 is able to measure the temperature of the liquid phase 44 itself for a low filling rate.
  • the first pressure sensor 60, the second pressure sensor 62, and the temperature sensor 64 are connected to a control module 66, configured to follow the respective temporal changes in the pressure of the liquid phase 44 at the level of the first sensor. pressure 60, the pressure of the gas phase 46 and the temperature of the liquid phase 44.
  • the control module 66 includes a processor suitable for executing computer programs and a memory suitable for storing data.
  • the control module 66 is also configured to implement a method for controlling the cryogenic tank 38 described below and to determine, as a function of the temperature and pressure measurements, a mass of the liquid phase 44 contained in the enclosure 40 , a possible need for maintenance of the cryogenic tank 38, a possible degradation of the thermal insulation of the enclosure 40 and a possible need to purge the cryogenic tank 38, as well as to predict a date for the need to purge the cryogenic tank 38.
  • the reservoir 38 also comprises a purge module 68 comprising a pump and fluidly connected to the first conduit 50 and to the second conduit 52 through purge valves 70.
  • the purge module 68 is capable of sucking up part of the gas phase 46, in particular through the second conduit 52, in order to reduce the pressure of the gas phase 46 in the enclosure 40, which causes a vaporization of part of the liquid phase 44.
  • the vaporization of part of the liquid phase 44 lowers the temperature in the enclosure 40, according to the enthalpy of vaporization of the oxygen.
  • the purging of the cryogenic tank 38 by the purging module 68 requires being able to evacuate the part of the aspirated gas phase 46, which can be a problem in a confined environment.
  • the cryogenic tank 38 comprises a differential pressure transmitter (not shown), in place of the first pressure sensor 60, located in the lower part of the enclosure 40 and the second pressure sensor 62 , located in the upper part of enclosure 40.
  • the differential pressure transmitter is for example arranged outside the cryogenic tank 38. This allows in particular that the differential pressure transmitter is not in contact with the liquid phase.
  • the cryogenic tank 38 contains liquid dioxygen forming a liquid phase 44 and a gas phase 46.
  • the method comprises a step of repeatedly measuring a pressure in the liquid phase 44 by the first pressure sensor 60, the pressure of the gas phase 46 by the second pressure sensor 62, and the temperature of the liquid phase 44 by the temperature sensor 64.
  • the pressure sensors 60, 62 and temperature 64 measure parameters representative respectively of the pressure in the liquid phase 44, of the pressure of the gas phase 46 and of the temperature of the liquid phase 44.
  • the parameters representative are respectively the pressure in the liquid phase 44, the pressure in the gas phase 46 and the temperature of the liquid phase 44 themselves.
  • the temperature and pressure measurements are controlled by the control module 66 and the results of the measurements recorded on the memory.
  • the method also includes a step of determining a mass m of the liquid phase 44, from temperature and pressure measurements.
  • a density p of the liquid dioxygen of the liquid phase 44 is evaluated from the temperature of the liquid phase 44, by the control module 66.
  • the filling height h corresponds to the height separating the first pressure sensor 60 and the upper surface 47 of the liquid phase 44.
  • the pressure in the gas phase 46 is considered to be substantially homogeneous, the gas phase 46 being much less dense than the liquid phase 44.
  • the mass m of the liquid phase 44 is then calculated as a function of the filling height h and the geometry of the enclosure 40.
  • the mass m the enclosure 40 is obtained by a direct calculation as a function of the geometry of the enclosure 40.
  • the mass m is obtained from a filling chart previously established and recorded in the memory.
  • the mass m of the liquid phase 44 is displayed, for example on a screen, in order to inform an operator.
  • the method further comprises a step of detecting a possible need for maintenance of the cryogenic tank 38.
  • a temporal change in the temperature of the liquid phase 44 is determined from the temperature measurements obtained through the temperature sensor 64, and a time derivative of the temperature is calculated repeatedly by the control module 66.
  • the time derivative of the temperature is compared with a predetermined threshold value, and the control module 66 determines that the reservoir 58 requires maintenance 66 if the time derivative of the temperature is greater than or equal to the threshold value.
  • the need for maintenance of the cryogenic tank 38 is then signaled to an operator, for example by displaying a message on a screen.
  • FIG. 3 is a graphic representation of the temperature T of the liquid phase as a function of time t.
  • the time derivative T of the temperature that is to say the local slope of the curve of the temperature T, increases over time t.
  • the time derivative T of the temperature T exceeds the threshold value T ' max, and the control module 66 signals a need for maintenance of the cryogenic tank 58.
  • the threshold value T'max of the time derivative of the temperature has an order of magnitude, for example, of 0.5 K / h, more particularly is equal to 0.5 K / h.
  • the increase in the time derivative T of the temperature T is observed on a time scale of the order of one or more years.
  • the detection of the need for maintenance by monitoring the temperature of the liquid phase 44 provides more precise information than the pre-existing methods, with which the maintenance was carried out at constant interval, without taking account of the specific aging of the cryogenic tank 38.
  • the method also includes a step of detecting any degradation of the thermal insulation of the enclosure 40.
  • the time derivative T of the temperature of the liquid phase 44 is calculated repeatedly as described above.
  • the loss of thermal insulation of the enclosure 40 is detected when the time derivative T of the temperature of the liquid phase 44 increases discontinuously.
  • the curve of the temperature T of the liquid phase 44 as a function of time t has a slope discontinuity, as represented in FIG. 4 at an instant t ⁇
  • the instant ⁇ corresponds to a detection by the module control 66 of the degradation of the insulation of the enclosure 40, which generally requires urgent intervention.
  • control module 66 calculates a parameter representative of the continuity of the time derivative of the temperature T of the liquid phase 44, and compares this parameter with a predetermined continuity threshold. The control module 66 detects the slope discontinuity when the parameter representative of the continuity is greater than the continuity threshold.
  • the parameter is for example a difference between two successive values of the time derivative of the temperature of the liquid phase 44.
  • the degradation of the insulation is then signaled to an operator, for example by displaying a message on a screen, and / or by means of an audible warning.
  • the detection of the loss of insulation from the temperature of the liquid phase 44 is faster than the detection from the monitoring of the pressure of the gas phase 46, according to the methods previously used. This makes it possible to react earlier to degradation of the insulation and reduces the risk of damage to the cryogenic tank 38.
  • the method further comprises a step of determining a need to purge the cryogenic tank 38, and predicting this need to purge.
  • the time course of the temperature of the liquid phase 44 as a function of time is determined as described above.
  • the need to purge the cryogenic tank is determined by the control module 66 when the temperature of the liquid phase 44 exceeds a predetermined purge threshold value.
  • the purge threshold value is for example equal to 1 10 K.
  • the need to purge the tank is signaled to an operator, for example by displaying a message on a screen.
  • control module 66 predicts a date on which the reservoir 38 must be purged, as a function of the temperature of the liquid phase 44, of the threshold value, and of the time derivative of the temperature of the liquid phase 44, calculated as above.
  • the next scheduled purge date is signaled to an operator, for example by displaying it on a screen.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de contrôle d'un réservoir cryogénique (38) comprenant une enceinte (40) contenant un gaz liquéfié, le gaz liquéfié formant une phase liquide (44) et une phase gazeuse (46) dans l'enceinte (40). Le procédé comprend les étapes suivantes : - mesure d'un paramètre représentatif d'une pression de la phase gazeuse (46) et d'un paramètre représentatif d'une pression dans la phase liquide (44); - mesure d'un paramètre représentatif d'une température de la phase liquide (44); et - détermination d'une masse totale de la phase liquide (44) à partir des paramètres représentatifs de la température de la phase liquide (44), de la pression dans la phase liquide (44) et de la pression de la phase gazeuse (46). L'invention concerne également un réservoir cryogénique (38) et un bâtiment sous-main correspondants.

Description

Procédé de contrôle d’un réservoir cryogénique, réservoir cryogénique et bâtiment sous-marin correspondants
La présente invention concerne un procédé de contrôle d’un réservoir cryogénique comprenant une enceinte contenant un gaz liquéfié, le gaz liquéfié formant une phase liquide et une phase gazeuse dans l’enceinte, le procédé comprenant l’étape suivante : mesure d’un paramètre représentatif d’une pression de la phase gazeuse et d’un paramètre représentatif d’une pression dans la phase liquide.
L’invention concerne également un réservoir cryogénique et un bâtiment sous- marin comprenant un tel réservoir.
Les systèmes de propulsion anaérobie (ou Al P, abréviation de Air Independent Propulsion en anglais) sont un type relativement récent de système de production d’énergie pour sous-marins pouvant fonctionner longtemps sans utiliser d'air extérieur. Ceci évite au sous-marin anaérobie de sortir son tube d’air frais (ou schnorchel), limitant ainsi le besoin de remontée proche de la surface, et donc sa vulnérabilité.
Le système de propulsion anaérobie apporte aux sous-marins conventionnels une amélioration notable de leur autonomie en plongée (quelques jours, contre quelques dizaines d'heures pour un sous-marin à propulsion classique) et par conséquent de leur discrétion.
Les systèmes de propulsion anaérobie comprennent notamment des moteurs à combustion classiques utilisant un combustible standard, comme des moteurs diesel, et comme comburant du dioxygène stocké sous forme liquide à bord du sous-marin, dans un réservoir cryogénique. Le dioxygène liquide peut aussi être utilisé pour renouveler une partie de l’air respiré par l’équipage, ce qui contribue à augmenter encore l’autonomie.
Le contrôle de la quantité d’oxygène liquide contenue dans le réservoir, ainsi que la performance de l’isolation, sont primordiaux pour évaluer l’autonomie et la sécurité du bâtiment sous-marin. De plus, un réservoir cryogénique peut nécessiter des purges vers l’extérieur du bâtiment, qui ont besoin d’être anticipées dans le cadre d’une mission requérant de la furtivité.
Ainsi, la gestion d’un réservoir cryogénique pose un certain nombre de difficultés, notamment dans un bâtiment sous-marin constituant un environnement confiné et nécessitant de maintenir une discrétion élevée.
Les méthodes de gestion de réservoir existantes se basent sur une mesure de la pression interne du réservoir pour estimer la masse contenue dans le réservoir et détecter une détérioration de l’isolation. Cependant, il serait avantageux d’améliorer encore la précision et la fiabilité de ces méthodes.
Ainsi, un but de l’invention est de permettre une gestion plus précise et plus fiable d’un réservoir de gaz liquéfié, notamment au sein d’un bâtiment sous-marin.
A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de contrôle du type précité, dans lequel le procédé comprend également les étapes suivantes :
- mesure d’un paramètre représentatif d’une température de la phase liquide ; et
- détermination d’une masse totale de la phase liquide à partir des paramètres représentatifs de la température de la phase liquide, de la pression dans la phase liquide et de la pression de la phase gazeuse.
Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé selon l’invention présente l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
- le procédé comprend également les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide ;
- mise en oeuvre d’un premier test du paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide et obtention d’un premier résultat ; et
- signalement d’un besoin de maintenance du réservoir cryogénique en fonction du premier résultat ;
- le paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide est une dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide, le premier test étant une comparaison de la dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide avec une valeur seuil prédéterminée, et le besoin de maintenance étant signalé si la dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide est supérieure à la valeur seuil ;
- le procédé comprend également les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide ;
- mise en oeuvre d’un deuxième test du paramètre représentatif de révolution temporelle de la température de la phase liquide et obtention d’un deuxième résultat ; et
- signalement d’une perte d’isolation thermique de l’enceinte en fonction du deuxième résultat ; - le paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide est une dérivée temporelle de la température de la phase liquide, le deuxième test comprend un calcul d’un paramètre représentatif de la continuité de la dérivée temporelle de la température de la phase liquide et la comparaison du paramètre représentatif de la continuité avec un seuil prédéterminé, la perte d’isolation thermique étant signalée si le paramètre représentatif de la continuité est supérieur au seuil ;
- le procédé comprend également les étapes suivantes :
- comparaison de la température de la phase liquide avec un seuil prédéterminé ; et
- signalement d’un besoin de purge du réservoir cryogénique si la température de la phase liquide est supérieure au seuil ;
- le procédé comprend de plus les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide ;
- calcul d’une date prévue de besoin de purge du réservoir cryogénique à partir de la température de la phase liquide, du paramètre représentatif de révolution temporelle de la température de la phase liquide et du seuil de purge ; et/ou
- le réservoir cryogénique est situé dans un bâtiment sous-marin propulsé par un système de propulsion comprenant un système de production d’énergie.
L’invention a également pour objet un réservoir cryogénique comprenant :
- une enceinte contenant un gaz liquéfié, le gaz liquéfié formant une phase liquide et une phase gazeuse dans l’enceinte ;
- un premier capteur de pression agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une pression dans la phase liquide ;
- un deuxième capteur de pression agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une pression de la phase gazeuse ;
- un capteur de température agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une température de la phase liquide ; et
- un module de contrôle configuré pour contrôler le premier capteur de pression, le deuxième capteur de pression et le capteur de température, et pour déterminer une masse totale de la phase liquide à partir de la température de la phase liquide, de la pression dans la phase liquide et de la pression de la phase gazeuse.
L’invention a en outre pour objet un bâtiment sous-marin à propulsion anaérobie, comprenant un système de propulsion comprenant un système de production d’énergie et au moins un réservoir cryogénique tel que défini précédemment, le gaz liquéfié contenu dans le réservoir cryogénique étant du dioxygène et alimentant le système de production d’énergie comme comburant.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue de côté d’un bâtiment sous-marin selon l’invention ;
- la figure 2 est une vue en coupe schématique d’un réservoir cryogénique du sous-marin de la figure 1 ;
- les figures 3 et 4 sont des représentations graphiques de l’évolution temporelle d’une température du fluide contenu dans le réservoir de la figure 2.
Sur la figure 1 , un bâtiment sous-marin 10 est représenté en plongée dans une étendue d’eau 12, sous une surface 14 de l’étendue d’eau 12.
Par « sous-marin », on entend que le bâtiment est apte et destiné à effectuer des trajets complètement immergé, notamment pendant une durée supérieure ou égale à une journée. Un tel bâtiment est également apte à retourner à la surface.
Le bâtiment sous-marin 10 comprend une coque 16 délimitant un espace interne isolé de manière étanche de l’étendue d’eau 12, ainsi qu’un système de propulsion 18 reçu dans l’espace interne et au moins une hélice entraînée 20 par le système de propulsion 18, et propre à mettre en mouvement le bâtiment sous-marin.
Le bâtiment sous-marin 10 est un sous-marin à propulsion anaérobie, c’est à dire que le système de propulsion 18 ne nécessite pas d’air extérieur pour son fonctionnement.
Le système de propulsion 18 est un système thermique-électrique, qui comprend, de manière connue, un moteur électrique 22 entraînant l’hélice 20, un alternateur 24 et une turbine 26 alimentant le moteur électrique 22. Le système de propulsion 18 comprend également un générateur de vapeur 28, un condenseur 30 et un échangeur de chaleur 32 entraînant la turbine 26, ainsi qu’un système de production d’énergie 34, plus particulièrement une chambre de combustion, générant la chaleur alimentant l’échangeur de chaleur 32.
Le système de propulsion 18 comprend en outre un réservoir de carburant 36, contenant par exemple de l’éthanol, et un réservoir cryogénique 38, contenant du dioxygène. Le réservoir de carburant 36 et le réservoir cryogénique 38 alimentent le système de production d’énergie 34, ici la chambre de combustion, respectivement en carburant et en dioxygène, qui y joue le rôle de comburant, pour participer à une réaction de combustion exothermique.
Le réservoir cryogénique 38 est représenté plus en détail sur la figure 2. Il comprend une enceinte 40 de stockage comprenant une paroi 42 thermiquement isolante, notamment une double paroi, définissant un espace interne de stockage de l’oxygène liquide.
Le dioxygène contenu dans le réservoir cryogénique 38 forme une phase liquide 44 et une phase gazeuse 46 dans l’enceinte 40, séparés par une surface supérieure 47 de la phase liquide 44.
Le réservoir cryogénique 38 est représenté sur la figure 2 en rapport avec une direction d’élévation Z-Z’ orientée selon la direction locale de la gravité. La phase liquide 44, plus dense que la phase gazeuse 46, occupe une partie inférieure de l’enceinte 40, et la phase gazeuse 46 une partie supérieure de l’enceinte 40, relativement à la direction d’élévation Z-Z’.
Le réservoir cryogénique 38 comprend également un premier conduit 50 débouchant dans la partie inférieure de l’enceinte 40 et un deuxième conduit 52 débouchant dans la partie supérieure de l’enceinte 40. Le premier conduit 50 est notamment un conduit d’entrée de dioxygène liquide dans l’enceinte 40, et le deuxième conduit 52 est notamment un conduit de sortie de l’enceinte 40.
Le premier conduit 50 et le deuxième conduit 52 sont munis respectivement d’une première vanne 54 et d’une deuxième vanne 56, propres à contrôler l’entrée et la sortie de fluide dans l’enceinte 40 à travers le premier conduit 50 et le deuxième conduit 52.
Le premier conduit 50 et le deuxième conduit 52 comprennent avantageusement des enveloppes d’isolation thermique (non représentées).
Le premier conduit 50 et le deuxième conduit 52 comprennent une portion interne s’étendant entre l’enceinte 40 et la première vanne 54 et la deuxième vanne 56 respectivement, à travers la paroi 42.
Avantageusement, la portion interne du premier conduit 50 débouche à travers une face inférieure 58 de l’enceinte 40, relativement à la direction d’élévation Z-Z’, afin de garantir que le premier conduit 50 débouche dans la phase liquide 44 même pour un faible taux de remplissage de l’enceinte 40.
Dans un mode de réalisation, le réservoir cryogénique 38 comprend de plus un premier capteur de pression 60, situé dans la partie inférieure de l’enceinte 40 et un deuxième capteur de pression 62, situé dans la partie supérieure de l’enceinte 40.
Les premier et deuxième capteurs de pression 60, 62 sont adaptés pour mesurer une pression hydrostatique respectivement dans la phase liquide 44 et dans la phase gazeuse 46 du dioxygène contenu dans l’enceinte 40.
Plus précisément, les premiers et deuxièmes capteurs de pression 60, 62, sont propres à mesurer un paramètre représentatif d’une pression hydrostatique respectivement en un point de la phase liquide 44 et en un point de la phase gazeuse 46. Par « paramètre représentatif », on entend que le capteur mesure une grandeur physique permettant d’obtenir directement la pression par un calcul direct.
Avantageusement, le paramètre représentatif de la pression dans la phase liquide 44 est la pression dans la phase liquide 44 elle-même et le paramètre représentatif de la pression de la phase gazeuse 46 est la pression de la phase gazeuse 46 elle-même.
Le réservoir cryogénique 40 comprend en outre un capteur de température 64 situé dans la partie inférieure de l’enceinte 40, apte à mesurer une température de la phase liquide 44.
Avantageusement, le paramètre représentatif de la température de la phase liquide 44 est la température de la phase liquide 44.
Plus précisément, le capteur de température 64 est propre à mesurer un paramètre représentatif de la température en un point de la phase liquide 44. Le paramètre représentatif de la température est avantageusement la température de la phase liquide 44 elle-même.
Le capteur de température 64 est par exemple un thermomètre à résistance de platine de type PT100.
Avantageusement, le capteur de température 64 est situé dans la portion interne du premier conduit 50, en regard de la partie inférieure de l’enceinte 40, de sorte que le capteur de température 64 est apte à mesurer la température de la phase liquide 44 même pour un faible taux de remplissage.
Le premier capteur de pression 60, le deuxième capteur de pression 62, et le capteur de température 64 sont connectés à un module de contrôle 66, configuré pour suivre les évolutions temporelles respectives de la pression de la phase liquide 44 au niveau du premier capteur de pression 60, de la pression de la phase gazeuse 46 et de la température de la phase liquide 44.
Le module de contrôle 66 comprend un processeur adapté pour exécuter des programmes d’ordinateurs et une mémoire adaptée pour stocker des données.
Le module de contrôle 66 est également configuré pour mettre en oeuvre un procédé de contrôle du réservoir cryogénique 38 décrit plus bas et pour déterminer, en fonction des mesures de température et de pression, une masse de la phase liquide 44 contenue dans l’enceinte 40, un éventuel besoin de maintenance du réservoir cryogénique 38, une éventuelle dégradation de l’isolation thermique de l’enceinte 40 et un éventuel besoin de purge du réservoir cryogénique 38, ainsi que pour prédire une date de besoin de purge du réservoir cryogénique 38.
Le réservoir 38 comprend également un module de purge 68 comprenant une pompe et relié fluidiquement au premier conduit 50 et au deuxième conduit 52 à travers des vannes de purge 70. Le module de purge 68 est propre à aspirer une partie de la phase gazeuse 46, notamment à travers le deuxième conduit 52, afin de faire baisser la pression de la phase gazeuse 46 dans l’enceinte 40, ce qui entraîne une vaporisation d’une partie de la phase liquide 44. La vaporisation d’une partie de la phase liquide 44 abaisse la température dans l’enceinte 40, selon l’enthalpie de vaporisation du dioxygène.
La purge du réservoir cryogénique 38 par le module de purge 68 nécessite de pouvoir évacuer la partie de la phase gazeuse 46 aspirée, ce qui peut poser problème dans un environnement confiné.
Dans un mode de réalisation alternatif, le réservoir cryogénique 38 comprend un transmetteur de pression différentiel (non-représenté), à la place du premier capteur de pression 60, situé dans la partie inférieure de l’enceinte 40 et du deuxième capteur de pression 62, situé dans la partie supérieure de l’enceinte 40.
Le transmetteur de pression différentiel est par exemple agencé à l’extérieur du réservoir cryogénique 38. Cela permet notamment que le transmetteur de pression différentiel ne soit pas en contact avec la phase liquide.
Un procédé de contrôle du réservoir cryogénique 38 du bâtiment sous-marin 10 décrit ci-dessus va maintenant être décrit. Le réservoir cryogénique 38 contient du dioxygène liquide formant une phase liquide 44 et une phase gazeuse 46.
Le procédé comprend une étape de mesure, de manière répétée, d’une pression dans la phase liquide 44 par le premier capteur de pression 60, de la pression de la phase gazeuse 46 par le deuxième capteur de pression 62, et de la température de la phase liquide 44 par le capteur de température 64.
Plus généralement, les capteurs de pression 60, 62 et de température 64 mesurent des paramètres représentatifs respectivement de la pression dans la phase liquide 44, de la pression de la phase gazeuse 46 et de la température de la phase liquide 44. Avantageusement, les paramètres représentatifs sont respectivement la pression dans la phase liquide 44, la pression dans la phase gazeuse 46 et la température de la phase liquide 44 elles-mêmes.
Les mesures de température et de pression sont pilotées par le module de contrôle 66 et les résultats des mesures enregistrées sur la mémoire.
Le procédé comprend également une étape de détermination d’une masse m de la phase liquide 44, à partir des mesures de température et de pression.
Une masse volumique p du dioxygène liquide de la phase liquide 44 est évaluée à partir de la température de la phase liquide 44, par le module de contrôle 66.
Une hauteur de remplissage h de l’enceinte 40 est ensuite établie en fonction d’un différentiel de pression DR, différence entre la pression mesurée dans la phase liquide 44 et la pression de la phase gazeuse 46, et de l’équation d’équilibre hydrostatique DR = p g h, dans laquelle a est la gravité.
La hauteur de remplissage h correspond à la hauteur séparant le premier capteur de pression 60 et la surface supérieure 47 de la phase liquide 44. En effet, la pression dans la phase gazeuse 46 est considérée comme sensiblement homogène, la phase gazeuse 46 étant beaucoup moins dense que la phase liquide 44.
La masse m de la phase liquide 44 est ensuite calculée en fonction de la hauteur de remplissage h et de la géométrie de l’enceinte 40.
Par exemple, la masse m l’enceinte 40 est obtenue par un calcul direct en fonction de la géométrie de l’enceinte 40. Dans le cas où l’enceinte 40 est de forme cylindrique de rayon R, la masse m de la phase liquide est obtenue par la formule : m = p h p R2.
Alternativement, dans le cas où l’enceinte 40 présente une géométrie complexe, la masse m est obtenue à partir d’un abaque de remplissage préalablement établi et enregistré sur la mémoire.
La masse m de la phase liquide 44 est affichée, par exemple sur un écran, afin d’informer un opérateur.
La mesure de manière précise et continue de la masse d’oxygène liquide contenue dans l’enceinte 40 permet un contrôle plus fiable de l’autonomie restante du bâtiment sous-marin 10.
Le procédé comprend de plus une étape de détection d’un éventuel besoin de maintenance du réservoir cryogénique 38. Une évolution temporelle de la température de la phase liquide 44 est déterminée à partir des mesures de température obtenues à travers le capteur de température 64, et une dérivée temporelle de la température est calculée, de manière répétée, par le module de contrôle 66.
La dérivée temporelle de la température est comparée à une valeur seuil prédéterminée, et le module de contrôle 66 détermine que le réservoir 58 nécessite une maintenance 66 si la dérivée temporelle de la température est supérieure ou égale à la valeur seuil.
Le besoin de maintenance du réservoir cryogénique 38 est alors signalé à un opérateur, par exemple en affichant un message sur un écran.
Cette détection du besoin de maintenance est représentée sur la figure 3, qui est une représentation graphique de la température T de la phase liquide en fonction du temps t. La dérivée temporelle T de la température, c’est-à-dire la pente locale de la courbe de la température T, augmente au cours du temps t. A un instant noté tm sur le graphique, la dérivée temporelle T de la température T dépasse la valeur seuil T’max, et le module de contrôle 66 signale un besoin de maintenance du réservoir cryogénique 58. La valeur seuil T’max de la dérivée temporelle de la température a un ordre de grandeur, par exemple, de 0,5 K/h, plus particulièrement est égale à 0,5 K/h.
Typiquement, l’augmentation de la dérivée temporelle T de la température T s’observe sur une échelle de temps de l’ordre d’une ou plusieurs années.
La détection du besoin de maintenance par le suivi de la température de la phase liquide 44 fournit une information plus précise que les méthodes préexistantes, avec lesquelles la maintenance était effectuée à intervalle constant, sans tenir compte du vieillissement spécifique du réservoir cryogénique 38.
Le procédé comprend également une étape de détection d’une éventuelle dégradation de l'isolation thermique de l’enceinte 40. La dérivée temporelle T de la température de la phase liquide 44 est calculée de manière répétée comme décrit plus haut. La perte d’isolation thermique de l’enceinte 40 est détectée lorsque la dérivée temporelle T de la température de la phase liquide 44 augmente de manière discontinue.
Par cela, on entend que la courbe de la température T de la phase liquide 44 en fonction du temps t présente une discontinuité de pente, comme représenté sur la figure 4 à un instant t^ L’instant ^ correspond à une détection par le module de contrôle 66 de la dégradation de l'isolation de l’enceinte 40, ce qui nécessite généralement une intervention urgente.
Pour détecter une telle discontinuité de pente, le module de contrôle 66 calcule un paramètre représentatif de la continuité de la dérivée temporelle de la température T de la phase liquide 44, et compare ce paramètre à un seuil de continuité prédéterminé. Le module de contrôle 66 détecte la discontinuité de pente lorsque le paramètre représentatif de la continuité est supérieur au seuil de continuité.
Le paramètre est par exemple un écart entre deux valeurs successives de la dérivée temporelle de la température de la phase liquide 44.
La dégradation de l’isolation est alors signalée à un opérateur, par exemple en affichant un message sur un écran, et/ou au moyen d’un avertissement sonore.
La détection de la perte d’isolation à partir de la température de la phase liquide 44 est plus rapide que la détection à partir du suivi de la pression de la phase gazeuse 46, selon les méthodes précédemment utilisées. Cela permet de réagir plus tôt à une dégradation d’isolation et réduit les risques d’endommagement du réservoir cryogénique 38.
Le procédé comprend en outre une étape de détermination d’un besoin de purge du réservoir cryogénique 38, et de prédiction de ce besoin de purge. L’évolution temporelle de la température de la phase liquide 44 en fonction du temps est déterminée comme décrit précédemment. Le besoin de purge du réservoir cryogénique est déterminé par le module de contrôle 66 lorsque la température de la phase liquide 44 dépasse une valeur de seuil de purge prédéterminée.
La valeur de seuil de purge est par exemple égale à 1 10 K.
Lorsque le seuil de purge est dépassé, le besoin de purge du réservoir est signalé à un opérateur, par exemple en affichant un message sur un écran.
De plus, le module de contrôle 66 prédit une date à laquelle le réservoir 38 devra être purgé, en fonction de la température de la phase liquide 44, de la valeur seuil, et de la dérivée temporelle de la température de la phase liquide 44, calculée comme précédemment.
La date prévue du prochain besoin de purge est signalée à un opérateur, par exemple en l’affichant sur un écran.
Cela permet de planifier la purge à l’écart d’une mission du bâtiment sous-marin 10 nécessitant de maintenir une discrétion importante, et notamment lors d’une remontée à la surface du bâtiment sous-marin 10.
L’utilisation de la température de la phase liquide 44 pour déterminer et prédire le besoin de purge du réservoir cryogénique 38 est plus fiable que le suivi de la pression de la phase gazeuse utilisé précédemment.

Claims

REVENDICATIONS
1 Procédé de contrôle d’un réservoir cryogénique (38) comprenant une enceinte (40) contenant un gaz liquéfié, le gaz liquéfié formant une phase liquide (44) et une phase gazeuse (46) dans l’enceinte (40), le procédé comprenant l’étape suivante :
- mesure d’un paramètre représentatif d’une pression de la phase gazeuse (46) et d’un paramètre représentatif d’une pression dans la phase liquide (44) ;
caractérisé en ce que le procédé comprend également les étapes suivantes :
- mesure d’un paramètre représentatif d’une température de la phase liquide (44) ; et
- détermination d’une masse totale de la phase liquide (44) à partir des paramètres représentatifs de la température de la phase liquide (44), de la pression dans la phase liquide (44) et de la pression de la phase gazeuse (46).
2.- Procédé selon la revendication 1 , comprenant également les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) ;
- mise en oeuvre d’un premier test du paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) et obtention d’un premier résultat ; et
- signalement d’un besoin de maintenance du réservoir cryogénique (38) en fonction du premier résultat.
3.- Procédé selon la revendication 2, dans lequel le paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) est une dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide (44), le premier test étant une comparaison de la dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide (44) avec une valeur seuil prédéterminée, et le besoin de maintenance étant signalé si la dérivée temporelle du paramètre représentatif de la température de la phase liquide (44) est supérieure à la valeur seuil.
4.- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant également les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) ; - mise en œuvre d’un deuxième test du paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) et obtention d’un deuxième résultat ; et
- signalement d’une perte d’isolation thermique de l’enceinte (40) en fonction du deuxième résultat.
5.- Procédé selon la revendication 4, dans lequel le paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) est une dérivée temporelle de la température de la phase liquide (44), le deuxième test comprend un calcul d’un paramètre représentatif de la continuité de la dérivée temporelle de la température de la phase liquide (44) et la comparaison du paramètre représentatif de la continuité avec un seuil prédéterminé, la perte d’isolation thermique étant signalée si le paramètre représentatif de la continuité est supérieur au seuil.
6.- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le procédé comprend également les étapes suivantes :
- comparaison de la température de la phase liquide (44) avec un seuil prédéterminé ; et
- signalement d’un besoin de purge du réservoir cryogénique (38) si la température de la phase liquide (44) est supérieure au seuil.
7.- Procédé selon la revendication 6, comprenant de plus les étapes suivantes :
- obtention d’un paramètre représentatif d’une évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) ;
- calcul d’une date prévue de besoin de purge du réservoir cryogénique (38) à partir de la température de la phase liquide (44), du paramètre représentatif de l’évolution temporelle de la température de la phase liquide (44) et du seuil de purge.
8.- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le réservoir cryogénique (38) est situé dans un bâtiment sous-marin (10) propulsé par un système de propulsion (18) comprenant un système de production d’énergie (34).
9.- Réservoir cryogénique (38) comprenant :
- une enceinte (40) contenant un gaz liquéfié, le gaz liquéfié formant une phase liquide (44) et une phase gazeuse (46) dans l’enceinte (40) ; - un premier capteur de pression (60) agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une pression dans la phase liquide (44) ;
- un deuxième capteur de pression (62) agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une pression de la phase gazeuse (46) ;
- un capteur de température (64) agencé pour mesurer un paramètre représentatif d’une température de la phase liquide (44) ; et
- un module de contrôle (66) configuré pour contrôler le premier capteur de pression (60), le deuxième capteur de pression (62) et le capteur de température (64), et pour déterminer une masse totale de la phase liquide (44) à partir de la température de la phase liquide (44), de la pression dans la phase liquide (44) et de la pression de la phase gazeuse (46).
10.- Bâtiment sous-marin (10) à propulsion anaérobie, comprenant un système de propulsion (18) comprenant un système de production d’énergie (34) et au moins un réservoir cryogénique (38) selon la revendication 9, le gaz liquéfié contenu dans le réservoir cryogénique (38) étant du dioxygène et alimentant le système de production d’énergie (34) comme comburant.
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