Méthode de stockage de liquides cryogéniques
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Sommaire |
[modifier] Introduction
Après la liquéfaction et la purification du liquide cryogénique, il doit être stocké et transporté. Dans cet article, on traitera en particulier l'exemple de l'Hélium
[modifier] Citerne de stockage de l’Hélium
[modifier] Citerne Basique
En 1892, Sir James Dewar a développé un récipient à double couche isolée sous vide, connu aujourd’hui par Vase Dewar. Le modèle utilisé dans la plupart des méthodes de stockage des fluides cryogéniques (grands volumes) se base sur le Vase Dewar pour former une citerne plus performante. Dans les laboratoires, le vase est simple : deux récipients séparés par du vide, or pour un plus grand vase plusieurs paramètres changent : l’introduction et l’évacuation des substances, l’isolation, la géométrie….
Les éléments de bases d’un vase Dewar sont : vase interne, vase externe, diffuseur, conduite d’évacuation gazeuse, conduite d’entrée et de sortie du liquide.
Le vase interne est entouré par le vase externe ou jacket isolante, qui contient le vide nécessaire pour l’efficacité de l’isolation.
La conduite d’entrée et de sortie est utilisée pour les vases de grands volumes, elle pourra être séparée en 2 lignes, une entrée et l’autre sortie, ou en une seule. La conduite d’échappement est indispensable elle permet d’évacuer les vapeurs formés par les pertes thermiques par unité de surface. Il existe 2 méthodes pour vider le vase : Augmenter la pression dans le récipient interne à l’aide de la conduite d’évacuation, ou utiliser une pompe. Quand c’est le premier cas on ajoute au vase un diffuseur qui a pour rôle distribué le gaz de pression (relativement chaud) dans l’espace gazeux et le rediriger loin de la surface du liquide afin de réduire la condensations de ce gaz (cette partie sera plus détaillée dans les prochaines parties).
Les citernes de stockage sont relativement chers surtout celles qui sont sur mesure, c’est pour cela les entreprises ont conçu des formes et des tailles normalisées pour réduire les coûts de production. Les citernes de stockage d’hélium ne sont pas conçues pour être complètement rempli pour plusieurs raisons :
1- Les pertes thermiques par unité de surface vont former de la vapeur ce qui causera l’augmentation rapide de la pression du récipient si un espace gazeux n’est pas assuré.
2- Durant une opération de remplissage rapide, un refroidissement insuffisant du récipient interne peut résulter à une vaporisation additionnelle et l’hélium pourra passer à travers la conduite d’échappement. Enfin, on réserve un ratio de 10% dans la citerne pour l’espace gazeux.
Ces citernes peuvent être construites sous différentes formes sphériques, cylindriques, coniques ou n’importe quelle combinaison de ces trois formes. Généralement, la configuration la plus économique est la citerne cylindrique dont la tête et le fond sont sphériques, elliptiques ou bombés.
Enfin pour le choix de géométrie, on remarque que les citernes sphériques sont moins affectées par les pertes thermiques que les citernes cylindres. En même temps, pour un même volume de récipient, la surface du cylindre est plus grande que la surface de la sphère d’un facteur de 21%. Alors la différence de pertes thermiques n’est pas beaucoup excessive. Alors pour un stockage de longue durée, il est préférable qu’on stock l’hélium dans des citernes sphériques, qui sont généralement de grandes tailles et sont construites sur site. Mais pour un stockage de courte durée, en particulier pour le transport, il est plus économique de le stocker dans des citernes cylindriques.
[modifier] Récipient interne du Vase Dewar
Des normes couvrent les dimensions des citernes, ASME Boiler and Pressure Vessel Code et le British standards Institution Standard 1500 ou 1515.
La citerne doit tenir la pression interne, la force de cintrage et le poids du fluide contenu. Elle doit être construite d’un matériau compatible avec l’hélium comme le cuivre, aluminium ou l’acier inoxydable. Ces matériaux sont généralement chers, c’est pour cela le constructeur construit le récipient interne le plus fin possible tout en assurant son efficacité. En plus, le temps de refroidissement du récipient interne augmente avec son épaisseur. C’est pour cela, le récipient est conçu à ce qu’il tienne la pression interne et la force de cintrage. Des contreforts sont ajoutés pour contrer les forces de poids.
[modifier] Récipient externe du Vase Dewar
La seule force appliquée sur le récipient externe est la force de pression de l’air, or le vide effectué entre les deux coques, créé une différence de température entre le milieu interne et externe ce qui affectera la stabilité élastique du matériau, donc il faut prendre en considération ce facteur pour le calcul de l’épaisseur du récipient externe.
[modifier] Système de suspension
Un des facteurs critiques dans le design d’un vase Dewar est la méthode utilisée pour suspendre le récipient interne dans le récipient externe. Une suspension médiocre peut annuler l’effet d’une isolation de haute performance.
Quelques systèmes de suspension :
(1) tiges de tension (inox) (2) selles de métal ou plastiques (3) block de compression plastique (4) tubes de compression (5) chaînes ou câbles
Le récipient interne est soumis au poids du récipient interne et de son contenu plus les charges dynamiques qui augmentent avec le transport de la citerne, Séismes… . Même si la citerne est une citerne stationnaire, elle doit résister aux charges dynamiques quand elle est vide durant son déplacement (si elle n’est pas construite sur site) ainsi qu’aux chocs séismiques.
[modifier] Les Tuyaux
Les tuyaux d’évacuation et de remplissage introduisent des effets de pertes thermiques au récipient interne. Le Transfert de chaleur dans un système de tuyauterie bien conçu est du à la conduction tout au long des murs du tuyaux. C’est pour cela, les tuyaux doivent être construite les plus longues possibles et d’épaisseur la plus mince possible.
Dans la figure ci-dessus, on dispose de quatre arrangements possibles pour la conduite de remplissage. L’arrangement (1) est utilisé généralement dans les citernes à isolation multicouches. La longueur est suffisamment longue, elle est obtenue grâce à l’extension de l’isolation jusqu’à l’intérieur du récipient interne. L’arrangement (2) est l’un des interdits dans la cryogénie, le tuyau n’est pas isolé ce qui entraînera la condensation de la vapeur ambiante. Le liquide formé se déposera sur le tuyau ce qui chauffera l’hélium arrivant et causera son évaporation. La chaleur sera transférée dans le récipient interne par le processus de condensation bouillante qui se terminera par un large taux de transfert de chaleur. L’arrangement (3) présente un tuyau qui percera le récipient de façon verticale entre les deux coques pour éviter la convection de l’arrangement (2) lié à un soufflet qui interdira la contraction thermique. Ce dernier arrangement présente un sérieux désavantage c’est pour cela il est très rarement utilisé. Dans un tel système, si une fuite aura lieu, elle se produira au niveau du soufflet à cause de la fatigue de l’installation. La réparation est donc difficile et chère. La meilleure configuration est présentée dans l’arrangement (4) avec le soufflet situé à l’extérieur de la citerne et le tuyau percera la coque intérieure verticalement pour éviter le processus de condensation bouillante.
[modifier] Egoutter le Vase Dewar
Il existe 3 méthodes pour évacuer le l’hélium :
(1) Auto-compression du récipient interne (2) Augmenter la pression dans le milieu gazeux à l’aide d’un gaz (3) l’utilisation d’une pompe.
L’auto-compression implique l’extraction d’une certaine quantité d’hélium et la porter à ébullition dans un évaporateur. L’air ambiant (chaud) peut être utilisé comme une source de chaleur. La vapeur est réintroduite dans le récipient interne, or l’augmentation de volume d’hélium du à l’évaporation peut constituer une grande force de pression dans le récipient interne. La deuxième méthode consiste à introduire un gaz d’une source externe à très haute pression pour augmenter la pression dans l’espace gazeux. Or cette méthode est quelques fois bien plus coûteuse que la première, tout dépend su moyen de comprimer le gaz. Au cas où on désire un grand flux, une pompe est favorisée elle assure l’égouttement de la citerne sans compression.
[modifier] Isolations
On n’avait déjà cité qu’il existe différents systèmes d’isolations entre les deux récipients, parmi ceux-la :
- mousse expansé
- poudres et matériaux fibreux
- Vide
- Isolations multicouches.
Ces systèmes ont pour but augmenter la performance même si quelques unes sont coûteuses. Dans ce tableau, on présentera les avantages et les inconvénients de ces systèmes :
[modifier] Conclusion
Pour conclure, on ne peut pas dire qu’un système d’isolation est meilleur qu’un autre ou qu’il est plus efficace, tout dépend de l’installation choisie et de la qualité de produit.
