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FR3030013A1 - Reservoir pour fluides sous pression compose de tubes de petit diametre - Google Patents

Reservoir pour fluides sous pression compose de tubes de petit diametre Download PDF

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FR3030013A1
FR3030013A1 FR1402900A FR1402900A FR3030013A1 FR 3030013 A1 FR3030013 A1 FR 3030013A1 FR 1402900 A FR1402900 A FR 1402900A FR 1402900 A FR1402900 A FR 1402900A FR 3030013 A1 FR3030013 A1 FR 3030013A1
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Abstract

Système de stockage de gaz sous pression composé d'un grand nombre de tubes fins(21) munis à chacune de leur extrémité de clapets anti-retour ayant pour effet d'éviter que la rupture d'un tube (21) ne provoque la vidange complète du système. Ces tubes fins peuvent préférentiellement être enroulés en bobines ou en galettes. Une enveloppe (33) peut entourer le tout, permettant de contenir le gaz d'un tube(21) cci dentellement fuyard. Une des plus intéressante application de ce système réside dans son utilisation comme réservoir de méthane pour la propulsion automobile.

Description

La raréfaction future du pétrole conduit déjà l'industrie automobile à chercher d'autres combustibles pour ses moteurs thermiques. Le gaz de pétrole liquéfié --(G.P.L) est utilisé, mais présente certains inconvénients : Tout d'abord, c'est un dérivé du pétrole et il suivra la même évolution que lui en ce qui concerne son coût. Ensuite, combustible fossile, il participe à l'augmentation du taux d'oxyde de carbone dans l'atmosphère. Par ailleurs, le gaz liquéfié est sous pression (variable selon la température) et présente un risque d'explosion en cas d'accident. On fonde de gros espoirs sur l'hydrogène, mais il est coûteux de l'extraire de l'eau et il est difficile à stocker. H n'est pas pensable, avant longtemps, de munir l'automobile de « Monsieur Tout Le Monde » d'un réservoir cryogénique à -253° centigrades ; seule l'industrie aérospatiale peut se le permettre. Le stockage de l'hydrogène avec adsorption par des composés --métalliques n'en est qu'à ses balbutiements et risque d'entraîner des surpoids importants. Une bonne façon de le stocker est de le faire sous forme de méthane qui comporte quatre atomes d'hydrogène dans sa molécule. La chaleur de combustion du méthane est d'environ 37 000 Kilojoules par m3 (à la pression atmosphérique). La chaleur de combustion de l'hydrogène n'est que d'environ 12 000 Kilojoules par m3. Pour une même énergie de combustion le méthane occupe donc un volume trois fois moindre que l'hydrogène. Bien entendu, si l'on veut respecter l'environnement, on se doit d'utiliser du méthane naturel, énergie renouvelable, issue du cycle biologique du carbone : photosynthèse, puis dégradation des plantes mortes avec production de méthane. Le méthane provoquant un effet de serre bien plus important que le CO2, brûler du méthane provenant de la décomposition de végétaux est bénéfique, puis qu'il remplace une molécule de méthane par une molécule de CO2, moins dommageable pour l'environnement. Mais, quel que soit le gaz utilisé, hydrogène, méthane, acétylène, hydrocarbures gazeux divers, sans que cette liste soit limitative, il apparaît qu'aujourd'hui la seule technique praticable connue de stockage est le stockage sous pression dans des réservoirs à parois épaisses. Il en va de même d'ailleurs pour le stockage de gaz comburants, comme l'air ou l'oxygène ou même de gaz neutres (azote, argon, etc.), sans que cette liste soit limitative également et pour des applications qui peuvent être autres que l'automobile. 3030013 -2- La présente invention concerne une technique de stockage de fluide sous pression ne présentant pas les dangers d'explosion des systèmes connus de réservoirs monoblocs. Il est important de faire une remarque préliminaire : un calcul simple montre que pour une masse donnée de gaz avec un matériau 5 donné pour la fabrication du réservoir contenant cette masse de gaz, la partie cylindrique de ce réservoir (fonds exclus donc) a une masse indépendante de la pression utilisée et du diamètre du réservoir. Cette masse ne dépend que de la masse de gaz à stocker et de la contrainte admise pour le matériau du réservoir. Selon la présente invention, le dispositif de stockage de gaz proposé est 10 constitué d'un ensemble de plusieurs tubes de très faible diamètre, chaque tube étant remplie par une extrémité et débitant sont contenu par l'autre extrémité. Cette manière de stockage en tube fin est déjà connue et décrite notamment dans les brevets : allemand DE 23 05 840 du 7 février 1973 et anglais GB 2 204 390 du 30 avril 1987. Par très faible diamètre on entend des tubes d'un 15 diamètre tel que, eu égard à la pression de gaz qu'ils renferment la rupture d'un tel tube n'entraînent pas de conséquences dommageables. Là encore il y a une différence entre dommageables pour du matériel seulement, comme lorsque un réservoir sous pression explose dans un local en absence de toute personne humaine, l'objectif dans ce cas là étant de minimiser les dommages matériels ; -20 et dommageables pour les personnes humaines, comme les passagers d'un véhicule où est installé un tel réservoir sous pression. Il y a donc une certaine subjectivité dans l'appréciation du mot tube de « très faible diamètre » (dit encore tube fin). Le brevet allemand utilise simplement l'expression « sehr kleinen durchmesser » (très petit diamètre) et le brevet anglais « capillary 25 tubing » (tube capillaire). Nous utiliserons dans la suite de la description l'appellation « tube fuis ». Dans la majorité des applications, réservoirs pour gaz combustible embarqués sur des véhicules entre autres, « tubes fins » désignera des tubes de diamètre inférieur à 10 mm, cette valeur n'étant cependant pas limitative. Selon l'invention l'extrémité de remplissage de 30 chaque tube est muni d'un bloc contenant un clapet anti retour autorisant le passage du flux de remplissage de gaz et interdisant le flux inverse. L'autre 3030013 -3- extrémité de chaque tube est munie de même d'un bloc clapet anti retour autorisant le soutirage du gaz et interdisant le flux inverse. Tous les blocs d'extrémités de remplissage sont implantés clans un corps muni d'une connexion de remplissage depuis la source de gaz haute pression. Tous les 5 blocs d'extrémité de soutirage sont implantés dans un corps muni d'une connexion de soutirage au profit de l'organe utilisateur du gaz sous pression. Les tubes fins permettent l'utilisation de matériaux travaillant, comme les aciers à ressorts, à des contraintes élevées. De plus on fait l'économie de fonds massifs. Les systèmes de blocs de clapets anti retour empêchent la vidange de 10 tout l'ensemble en cas de rupture de l'un des tubes. Enfin, les tubes fins acceptent d'être enroulés sur un mandrin d'un rayon égal à environ 10 fois leur diamètre, possiblement en plusieurs couches sur toute la longueur du mandrin. On peut aussi les enrouler par galettes ne faisant chacune qu'une fraction de la longueur du mandrin. À titre d'exemple pour un volume de 70 1 sous 300 bars, 15 en utilisant des tubes d'acier de 5 mm de diamètre extérieur e t de 0,1 mm d'épaisseur supportant une contrainte de 75 x 10 7 Pascals (soit 75 kg/mm2) la longueur totale des tubes nécessaire est de 3868 m. Si l'on enroule ces tubes sur un mandrin de 100 mm de diamètre et de 1,015 m de long, compte tenu de l'imbrication des couches, le calcul donne 27 couches de 203 spires chacune.
20 La masse d'acier nécessaire ressort alors de 47 kg. Si l'on tient compte des masses des blocs et des corps de remplissage et de soutirage ainsi que de la masse du mandrin (qui peut être en plastique), on peut donc estimer qu'il est possible de fabriquer ainsi un réservoir de 70 litres sous 300 bars d'une masse de 50 kg. En comparaison un réservoir monobloc composée d'un cylindre 25 (muni de deux fonds hémisphériques), de 350 mm de diamètre intérieur, d'une longueur de 500 mm, pour lequel, par sécurité, on ne peut accepter comme contrainte dans l'acier que 25x 101 Pascals (25 Kg/mm2), la masse, avec l'épaisseur alors nécessaire de 20 mm, est de 146 kg, auxquels il faut ajouter les masses des vannes de service et de la valve de sécurité, relativement 30 massive. On obtient une masse totale d'environ 150 kg. La solution faite d'un grand nombre de tubes fins est donc trois fois plus légères et apporte une grande sécurité en ce qui concerne le risque d'explosion. Toujours avec 3030013 -4- l'exemple choisi, l'ensemble réservoir plus carburant (15kg de méthane sous 300 bars' ) a une masse de 65kg. Pour le même service rendu z 50 litres de gazole ont une masse d'environ 40kg et sont contenus dans un réservoir d'environ 5kg. L'augmentation de masse, avec la présente invention, en utilisant du méthane 5 contenu sous haute pression dans un réservoir composé d'un grand nombre de tubes fins, n'est que de 20kg, ce qui est peu pénalisant au regard de l'affranchissement du pétrole et même du gaz fossile, puisque le méthane peut:: être produit biologiquement. Il est a remarquer que dans le type d'enroulement selon l'invention, décrit pour les tubes de petit diamètre, les tubes laissent entre 10 eux un volume inférieur à 15% du volume total de l'enroulement. Selon l'invention, il peut être avantageux de faire occuper ce volume par un enroulement concomitant en résine filamentaire avec des fibres de verre, de carbone, de kevlar ou autres, sans que cette liste soit limitative. Ce faisant la contrainte dans les parois des tubes est reportée sur la résine. Les tubes peuvent 15 alors être constitués d'un matériau très mince et peu résistant, ils n'agissent alors que comme une chambre à air pneumatique, n'ayant pour fonction que l'étanchéité. Le matériau interstitiel n'a qu'une propriété nécessaire : être incompressible ; une résistance mécanique peut ou non lui être demandée. Si non, vers l'extérieur, la pression doit être contenue et un enroulement en matériaux à 20 haute résistante est nécessaire en épaisseur suffisante. Suivant cette technique, avec enroulement sur un cylindre, il apparaît que des plaques de fond, tenant la haute pression, sont nécessaires. On peut s'affranchir de cette obligation en procédant à un enroulement, selon l'invention, non pas sur un cylindre, mais sur un tore. Pour une meilleure occupation de l'espace il est souvent avantageux de 25 posséder des volumes plus ou moins rectangulaires. Il est alors possible, selon l'invention, de déformer le tore support de l'enroulement pour lui donner une forme où sa fibre moyenne est d'allure rectangulaire, mais avec des angles arrondis bien entendu. Dans ces dernières dispositions, le tube central, support de l'enroulement, peut être mis sous pression de façon avantageuse car il rend 30 l'ensemble isobarique, seules, comme dit plus haut, les enroulements à la surface extérieure étant sous contrainte. Par ailleurs les structures ainsi décrites peuvent participer à la structure mécanique du véhicule qui les reçoit, qu'il soit 3030013- -5- terrestre, maritime, ou aérien. Dans le cas où le réservoir, remplis d'un gaz inflammable est susceptible de se trouver placé dans un endroit clos, comme un _ parking souterrain pour automobiles, une fuite peut présenter un danger l'incendie, voire d'explosion si le mélange air gaz atteint le pourcentage 5détonant. Ce problème n'est d'ailleurs pas résolu pour les véhicules emportant du gaz liquéfié (GPL). Selon l'invention, telle que décrite, le réservoir est constitué d'un grand nombre de tubes, tous indépendants les uns des autres, grâce aux clapets anti retour dont sont munies leurs extrémités. S'il y a dix tubes, par exemple non limitatif, seul 1/10 du volume s'échappe en cas de fuite ;10 sur un des tubes. Il est alors possible de contenir cette fuite sous basse pression, dans une enveloppe entourant tout l'ensemble, munie d'un détecteur de pression et d'une soupape de sécurité. Selon l'invention, la soupape de sécurité peut être munie d'un brûleur à allumage automatique qui assure ainsi que seuls des gaz brûlés peuvent se répandre dans le local. Il est d'ailleurs à noter que le 15 problème de fuite de gaz n'est pas différent de celui de l'alimentation des immeubles en gaz de ville, pour lequel une cuisinière mal fermée peut répandre du gaz dans tout l'immeuble. Les parkings pour automobiles ont même l'avantage de pouvoir être munis de puissants systèmes de ventilation. La figure 1 de la planche unique montre l'état de l'art suivant le brevet anglais 20 GB 2204390A. La figure 2 est une vue en coupe d'un dispositif suivant invention. La figure 3 est une vue en coupe des blocs porte clapets anti retour de chaque tube pour le remplissage et le soutirage. La figure 4 est une vue en coupe d'un système suivant l'invention en disposition 25 oroïdale. En référence à la figure 1, vue en coupe selon le brevet anglais, on constate que chaque tube (11) est bien muni de clapets anti retour (18) pour le remplissage et le soutirage, comme mentionné plus haut, mais les blocs porte clapet anti retour ne sont pas implantés dans un corps commun destiné au remplissage et, 30 dans un second corps pour ceux destines au soutirage ; au contraire ils sont placés à l'intérieur de ces corps, ce qui fait que les tubes fms raccordés aux blocs porte clapet pénètrent à l'intérieur des volumes de ces corps. De ce fait, 3030013 -6- une déchirure d'un de ces tubes fms (11), se propageant le long d'une génératrice, comme c'est le cas en général lors d'une rupture par surpression, atteignant un point (20), à l'intérieur du corps (19), provoquerait la vidange à l'atmosphère de la totalité des tubes, ce qui va évidemment à l'inverse de l'objectif visé par l'utilisation de clapets anti retour. Toujours concernant l'état antérieur de l'art, il est à noter que le brevet allemand DE 2 305 840 qui ne comportent qu'un seul tube, voit évidemment le gaz s'échapper aussi intégralement en cas de rupture de ce tube. En référence à la figure 2, qui montre, selon l'invention, plusieurs couches de 10 tubes fms (21), enroulées autour d'un mandrin (22), on peut voir la pénétration de l'extrémité (23) de remplissage d'un tube (21) dans un bloc porte clapet (24) et son autre extrémité (25), de soutirage, pénétrant dans le bloc porte clapet (26). Les blocs porte clapet (24) et (26) sont implantés respectivement dans les corps (27) d'arrivée de gaz sous pression et (28) de départ vers les organes i< utilisateurs et ce, de façon étanche grâce aux joints (29) et (30). Bien entendu, tous les blocs (24) de remplissage de chaque tube (21) sont implantés dans un seul et même corps d'alimentation (27) et tous les blocs (26) de soutirage sont implantés dans un seul et même corps (28) de départ de gaz. Le corps (27) comporte un canal (31) d'arrivée de gaz sous pression pouvant être relié à un 20 système de remplissage, vanne ou autre. Le corps (28) comporte un canal (32) de sortie de gaz pouvant être relié à un système de distribution, vanne ou autre. Selon l'invention, une enveloppe (33) peut recueillir le gaz s'échappant d'un tube (21) fuyard. Cette enveloppe (33), légère, n'est conçue que pour résister à une pression relativement faible. Une soupape de sécurité (34) limite cette 25 pression. Selon l'invention également, si le gaz sous pression est un gaz combustible l'enveloppe (33) peut être préalablement remplie d'azote ou d'un gaz neutre, afm d'éviter la constitution d'un mélange explosif en cas de fuite d'un des tubes fins. Toujours selon l'invention, un brûleur (35), à allumage automatique, déclenché par l'ouverture de la soupape de sécurité (34), permet 30 de n'évacuer à l'atmosphère ou dans un local clos que des gaz ininflammables. En référence à la figure 3, qui est une coupe agrandie des blocs porte clapet de remplissage (24) et de soutirage (26), implantés respectivement dans le 3030013 -7- corps d'alimentation (27) et le corps de départ (28) du gaz sous pression, il est présenté le système d'attache de l'extrémité (23) d'un tube fm ( 21) dans le bloc porte clapett241ainsi que le système d'attache identique de l'autre extrémité (25) du tube (21) concerné dans le bon bloc porte clapet(26).Ces porte clapet (24) et - 5 (26) comportent chacun des logements (36) et (37) respectivement, dans lesquelles viennent s'engager des verrous (38) et (39) respectivement, traversant les tubes (21), sous la pression des ressorts (40 ) et (41) respectivement également. Ces dispositifs ont l'avantage de fixer efficacement les tubes fins, dont la faible épaisseur rendrait très délicate une opération de 10 soudure ou de vissage. Des joints (42) assurent l'étanchéité de l'assemblage. Les clapets (43) et (44) assurent les fonctions anti-retour demandées. Sur cette figure 3 ces clapets sont représentés sphériques, mais cette disposition n'est pas limitative et d'autres sont possibles, comme des rondelles battantes par exemple. Grâce aux joints (42) ces dispositions évitent l'erreur du brevet 15 anglais 2204390A signalée plus haut, où la déchirure d'un tube peut entraîner la vidange de tout l'ensemble. En référence à la figure 4, la disposition toroïdale, avec les tubes fins enroulés sur un mandrin (22) refermé sur lui-même, permet de s'affranchir des fonds (45) et (46) ; les corps (27) et (28) sont alors disposés latéralement. Il est 20 également possible de torsader les tubes (21) pour réaliser des ensembles rigides pouvant participer à la structure mécanique des appareils utilisateurs. Le dispositif de stockage de gaz sous pression selon la présente invention peut recevoir des applications industrielles : - Pour l'automobile : Le méthane peut alors remplacer le pétrole, avec une 25 augmentation de masse de 20 à 30Kg seulement pour une voiture moyenne). - Pour les bateaux : La masse est peu pénalisante et le méthane économique comme carburant, pour l'industrie de la pêche en particulier. - Pour les aéronefs: Là, l'augmentation de masse est pénalisante mais peut être en partie compensée par le fait que les tubes peuvent participer aux structures.
30 Il faut enfin noter qu'à fourniture d'énergie égale, la combustion du méthane occasionne une émission de CO2 environ moitié de celle du gazole, la molécule du méthane ayant proportionnellement moins de carbone et plus 3030013 d'atomes d'hydrogène que les molécules composant le gazole, le poids de carburant consommé, à énergie fournie égale, étant de plus bien moindre. Par ailleurs, le stockage sous pression d'un gaz comburant, tel que l'air ou l'oxygène, offre la possibilité de réaliser des moteurs thermiques en 5 s'affranchissant d'un compresseur. Il faut enfin mentionner la possibilité de réaliser le stockage d'air comprimé pour la propulsion d'un véhicule à moteur pneumatique grâce à des dispositifs de contrôle de l'alimentation en air comprimé de ce moteur. Ce dernier type de véhicule n'émet aucune pollution.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS1) Système de stockage de gaz sous pression comportant un grand nombre de tubes de petit diamètre (21), de telle sorte que le volume d'un seul de ces tubes ne représente qu'une faible part du volume total du système, comportant : -un corps (27) assurant l'arrivée du gaz sous pression par un conduit (31) et un corps (28) assurant le soutirage du gaz, par un conduit (32), -des blocs porte-clapet (24), en communication avec le conduit (31), destinés chacun à l'arrivée du gaz sous pression dans le tube (21) qui lui est connecté, -des blocs porte-clapet (26) en communication avec le conduit (32), destinés chacun au départ du gaz sous pression hors du tube (21) qui lui est connecté, 10 sachant que ces porte clapet (24) et (26) comportent chacun des logements (36) et (37) respectivement, dans lesquelles viennent s'engager des verrous (38) et (39) respectivement, traversant les tubes (21), sous la pression des ressorts (40) et (41) respectivement également, -un clapet (43) interdisant tout flux de gaz en sens inverse de l'arrivée, logé 15 dans chaque porte-clapet (24) et un clapet (44) interdisant tout flux de gaz en sens inverse du départ, logé dans chaque porte-clapet (26), -des joints (42), entre chaque tube (21) et les portes-clapet (24) et (26) associés, caractérisé par le fait que les verrous (38) et(39) assurent un maintien efficace des tubes (21) dans les porte-clapet (24) et (26) associés et caractérisé encore 20 par le fait qu'en cas de fuite d'un tube (21), les clapets (43) et (44) ainsi que l'étanchéité des joints (42), empêchent les autres tubes (21) de se vider par la fuite d'un tube (21) défaillant.
  2. 2) Système selon la revendication 1 comportant un enroulement des tubes (21) autour d'un cylindre central (22) matériel, soit en couches, soit en galettes, 25 caractérisé par le fait que cette géométrie occupe un volume inférieur à tout autre arrangement.
  3. 3) Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 comprenant une enveloppe (33) pouvant recueillir le gaz s'échappant d'un tube (21) fuyard.
  4. 4) Système selon la revendication 3 comprenant une soupape de sécurité (34) 3030013 -10- placée sur l'enveloppe (33), caractérisé par le fait que la pression est toujours limitée dans l'enveloppe (33).
  5. 5) Système selon la revendication 4 comprenant un brûleur (35) placé à la sortie de la soupape de sécurité (34), à allumage effectué lors de l'ouverture de 5 cette soupape (34), caractérisé par le faite qu'un gaz combustible s'échappant de cette soupape (34) est transformé en gaz brûlé.
  6. 6) Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant une disposition toroïdale des enroulements des tubes (21). 10
  7. 7) système selon la revendication 6 où le gaz stocké n'est plus du combustible mais du comburant, caractérisée par le fait que le moteur thermique n'a plus besoin de compresseur.
  8. 8) système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 où le gaz stocké est de l'air comprimé, caractérisée par le fait qu'il est ainsi possible de faire 15 fonctionner un moteur pneumatique.
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