[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2024165254A1 - Device and method for heating a flow of fluid - Google Patents

Device and method for heating a flow of fluid Download PDF

Info

Publication number
WO2024165254A1
WO2024165254A1 PCT/EP2024/050438 EP2024050438W WO2024165254A1 WO 2024165254 A1 WO2024165254 A1 WO 2024165254A1 EP 2024050438 W EP2024050438 W EP 2024050438W WO 2024165254 A1 WO2024165254 A1 WO 2024165254A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchange
cryogenic fluid
heat transfer
fluid
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2024/050438
Other languages
French (fr)
Inventor
Golo Zick
Original Assignee
L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude filed Critical L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude
Publication of WO2024165254A1 publication Critical patent/WO2024165254A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C7/00—Methods or apparatus for discharging liquefied, solidified, or compressed gases from pressure vessels, not covered by another subclass
    • F17C7/02—Discharging liquefied gases
    • F17C7/04—Discharging liquefied gases with change of state, e.g. vaporisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C9/00—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure
    • F17C9/02—Methods or apparatus for discharging liquefied or solidified gases from vessels not under pressure with change of state, e.g. vaporisation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/006—Preventing deposits of ice
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/012—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2223/00—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel
    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2225/00—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel
    • F17C2225/01—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2225/0107—Single phase
    • F17C2225/0123—Single phase gaseous, e.g. CNG, GNC
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2225/00—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel
    • F17C2225/03—Handled fluid after transfer, i.e. state of fluid after transfer from the vessel characterised by the pressure level
    • F17C2225/035—High pressure, i.e. between 10 and 80 bars
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/03—Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/0302—Heat exchange with the fluid by heating
    • F17C2227/0309—Heat exchange with the fluid by heating using another fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/03—Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/0367—Localisation of heat exchange
    • F17C2227/0388—Localisation of heat exchange separate
    • F17C2227/0393—Localisation of heat exchange separate using a vaporiser
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/102—Particular pattern of flow of the heat exchange media with change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for heating a fluid flow, in particular cryogenic.
  • the device according to the invention is essentially characterized in that the first set of pipes and the set of corresponding valve(s) are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow to be reversed in the two heat exchange portions in series.
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of a heating device according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 1 is a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of a heating device according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the device 1 for heating a flow of cryogenic fluid illustrated in the can be used, for example, for the vaporization or heating of liquid hydrogen.
  • the device 1 can also be used for a non-cryogenic fluid (for example which is liquid at a temperature above 150°C or above -100°C).
  • this device 1 can be used for heating fluid (hydrogen for example) by heat exchange with a heat transfer fluid whose solidification temperature is higher than the inlet temperature of the fluid to be heated.
  • This device 1 comprises a set of heat exchanger(s) 2, 3 (two heat exchangers arranged in series in this example) defining two heat exchange portions in series on the path of a flow of fluid, for example cryogenic, to be heated.
  • Each heat exchange portion comprises at least a first passage 12, 13 for the flow of cryogenic fluid to be heated and a second passage 22, 23 for a heating heat transfer fluid, the first and second passages being in heat exchange.
  • the device 1 comprises a first set of pipes 120, 121, 122 comprising a set of valves 123, 124 and configured to guide cryogenic fluid in the first passages 12, 13.
  • the first set of pipes brings the fluid to the inlet of the first passage(s) of a first heat exchange portion then recovers the fluid that has circulated therein at at least one outlet of the first heat exchange portion and guides the flow to the inlet of the first passage(s) of the second heat exchange portion.
  • the circuit recovers the fluid that has circulated in the second heat exchange portion at at least one outlet. This heated cryogenic fluid can then be directed to a downstream application.
  • the device 1 also comprises a second set of pipes 32 configured to guide heat transfer fluid into the second passages 22, 23 of the two heat exchange portions.
  • a second set of pipes 32 configured to guide heat transfer fluid into the second passages 22, 23 of the two heat exchange portions.
  • an independent heat transfer fluid circuit is provided for each heat exchange portion.
  • the first set of pipes 120, 121, 122 and the corresponding set of valve(s) 123, 124 are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series to be reversed. That is to say that the fluid distribution system allows the order of passage of the fluid to be heated in these two heat exchange portions to be reversed.
  • cryogenic fluid flow and the heat transfer fluid are preferably oriented in co-current (same direction) in the first heat exchange portion and in counter-current (opposite directions) in the second heat exchange portion.
  • each heat exchange portion is crossed by the heat transfer fluid in the same direction. That is to say that, in this example, the two heat transfer fluid flows arrive on the same side (for example longitudinal) and leave on the same side (for example longitudinal).
  • the first set of pipes 120, 121, 122 and the set of valve(s) 123, 124 make it possible to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series by reversing the direction of passage of the cryogenic fluid in the first passages 12, 13 without reversing the direction of circulation of the reheating heat transfer fluid in the second passages.
  • the ends of the first passages 12 of the two heat exchange portions located on the same side can be connected in parallel to an inlet of cryogenic fluid to be reheated, for example via parallel pipes and a set of valves 123.
  • cryogenic fluid and the heat transfer fluid remain co-current in the first heat exchange portion (the first heat exchange portion crossed by the cryogenic fluid) then counter-current in the second heat exchange portion (the second heat exchange portion crossed by the cryogenic fluid after its passage in the first heat exchange portion).
  • the second heat exchange portion Preferably before and after inversion, the second heat exchange portion always performs a countercurrent heat exchange between the cryogenic fluid and the heat transfer fluid. Preferably this heat exchange is always cocurrent in the first heat exchange portion.
  • first passages 12 of the two heat exchange portions which do not open between the two heat exchange portions can be connected in parallel to an outlet of heated cryogenic fluid, for example via parallel pipes and a set of valves 124.
  • valves 124 In the example illustrated, four two-way valves 123, 124 are used but it is possible to provide another number of valves, for example by using three-way valves.
  • the reversal of the cryogenic fluid flow path to be heated can be obtained by reversing the openings/closings of the valves (reversed path in dotted lines).
  • the set of valves 123, 124 of the first set of pipes 120, 121, 122 comprises for example a set of piloted valves configured to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series in response to a control signal, for example in response to a physical quantity value relating to the cryogenic or heat transfer fluid flow in the device.
  • the device 1 may comprise an electronic data storage and processing unit 5 comprising a microprocessor and configured to control all or part of the set of piloted valves.
  • the device may comprise at least one sensor 4 for measuring a physical quantity value relating to the flow of cryogenic fluid and/or to the heating heat transfer fluid, for example a temperature, a flow rate, a state, to trigger (automatically) the inversion of the flow.
  • a physical quantity value relating to the flow of cryogenic fluid and/or to the heating heat transfer fluid, for example a temperature, a flow rate, a state, to trigger (automatically) the inversion of the flow.
  • the inversion can be triggered in response to measurement 4 of a determined low threshold of temperature of the cryogenic fluid to be heated measured at the outlet of the first heat exchange portion.
  • any other alternative or cumulative parameter may be considered to generate the inversion, for example a measured or calculated or estimated parameter representative of the occurrence or risk of occurrence of excessive solidification of the heat transfer fluid in a heat exchange portion.
  • at least one of the following parameters may trigger the inversion: a variation in the flow rate of the heat transfer fluid, a variation in the temperature of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a temperature level of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a variation in the pressure drop within the device.
  • the inversion is triggered.
  • the partially heated fluid (temperature higher than the solidification temperature of the heat transfer fluid) is put into heat exchange with the solidified portion which will thus be heated and re-liquefied.
  • This solid will therefore be liquefied quickly and the passage cleared again. This will make it possible, if necessary, to reverse the order of the exchangers again in the event of detection of the start of blockage in the other passage or portion.
  • This solution allows to temporarily assume a solidification of the heat transfer fluid for a certain time, before liquefying this solid.
  • the structure of the device does not require to split the system in its entirety to ensure this function.
  • the two heat exchange portions are formed in two separate (e.g. identical) heat exchangers.
  • these two heat exchange portions could be formed within the same heat exchanger.
  • the illustrated example provides for concentric tube exchangers (heat transfer fluid around the fluid to be heated), but other types of heat exchanger technologies (as well as their combinations) are possible: “tube-in-tube”, “multi-tube-in-tube”, “plate” heat exchangers.
  • the or at least one of the heat exchangers has, for each fluid, a single fluid distributor at the inlet and a single fluid collector at the outlet.
  • the distributor (inlet) and the collector (outlet) may be common to both portions.
  • the two heat exchange portions can be sized so that each does not provide all of the desired final heating of the cryogenic fluid.
  • each heat exchange portion is configured to provide heating of the cryogenic fluid to a temperature above the solidification temperature of the heat transfer fluid.
  • the fluid to be heated enters co-currently into the first heat exchange portion, it heats up to above the solidification temperature of the heat transfer fluid.
  • This partially heated fluid then passes into the second heat exchange portion from where it exits at a temperature close to the inlet temperature of the heat transfer fluid.
  • the heat exchange portions are sized so that the heat transfer coefficient on the heat transfer fluid side is much higher than the heat exchange coefficient on the side of the fluid to be cooled.
  • the device is thermally insulated, but preferably without a vacuum.
  • the flow of heated fluid may be subject to temperature variations, in particular following the passage of the heated fluid through parts of piping previously crossed by very cold fluid.
  • an exchanger 3 or additional heat exchange portion may be provided in series downstream as illustrated in (passages 13, 23, heat transfer fluid circuit 32 which may be a separate heat transfer fluid flow different from that used for the aforementioned portions). That is to say, a third exchanger (co-current or preferably counter-current) may be provided downstream to further heat the cryogenic fluid or to stabilize its temperature.
  • the invention allows for continuous heating even with variable operating conditions.
  • the device is light and compact and can use a conventional heat transfer fluid.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

The invention relates to a device for heating a flow of cryogenic fluid, comprising a set of heat exchanger(s) (2, 3) defining two heat-exchange portions which are arranged in series and each comprise at least one first passage (12, 13) for the flow of cryogenic fluid to be heated and at least one second passage (22, 23) for a heating heat-transfer fluid, the passages being configured to exchange heat, the device (1) comprising a first set of pipes (120, 121, 122) that include a set of valve(s) (123, 124) and are configured to guide the cryogenic fluid into the first passages (12, 13), and a second set of pipes (32) configured to guide the heat-transfer fluid into the second passages (22, 23), wherein the first set of pipes (120, 121, 122) and the set of corresponding valve(s) (123, 124) are configured to make it possible to reverse the order of passage of the flow of cryogenic fluid in the two heat-exchange portions arranged in series.

Description

Dispositif et procédé de réchauffage d’un flux de fluideDevice and method for heating a fluid flow
L’invention concerne un dispositif et un procédé de réchauffage d’un flux de fluide, notamment cryogénique.The invention relates to a device and a method for heating a fluid flow, in particular cryogenic.
L’invention concerne plus particulièrement un dispositif de réchauffage d’un flux de fluide cryogénique, par exemple pour la vaporisation de l’hydrogène liquide, comprenant un ensemble d’échangeur(s) de chaleur définissant, disposées en série, deux portions d’échange thermique comprenant chacune au moins un premier passage pour le flux de fluide cryogénique à réchauffer et au moins un second passage pour un fluide caloporteur de réchauffage, les premier et second passages étant configurées pour échanger thermiquement, le dispositif comprenant un premier ensemble de conduites comportant un ensemble de vanne(s) et configurées pour guider du fluide cryogénique dans les premiers passages, un second ensemble de conduites configurées pour guider du fluide caloporteur dans les seconds passages.The invention relates more particularly to a device for heating a cryogenic fluid flow, for example for the vaporization of liquid hydrogen, comprising a set of heat exchanger(s) defining, arranged in series, two heat exchange portions each comprising at least a first passage for the cryogenic fluid flow to be heated and at least a second passage for a heating heat transfer fluid, the first and second passages being configured to exchange heat, the device comprising a first set of pipes comprising a set of valve(s) and configured to guide cryogenic fluid in the first passages, a second set of pipes configured to guide heat transfer fluid in the second passages.
Pour des raisons d’augmentation de la densité énergétique, l’hydrogène est souvent stocké sous forme liquide alors que son utilisation finale se fait le plus souvent proche de la température ambiante, par exemple dans une pile à combustible. For reasons of increasing energy density, hydrogen is often stored in liquid form while its final use is most often close to room temperature, for example in a fuel cell.
Il est alors indispensable de prévoir un système de réchauffement entre le point de prélèvement de liquide et son utilisation finale. Ce réchauffement peut se faire, par exemple, avec des échangeurs atmosphériques, mais ces installations demandent beaucoup de volume et un accès à l’ambiant, ce qui n’est pas toujours possible. De plus, la prise en glace de ces échangeurs (givre) limite l’utilisation continue et est difficile à évaluer dans la conception (dimensionnement).It is then essential to provide a heating system between the liquid sampling point and its final use. This heating can be done, for example, with atmospheric exchangers, but these installations require a lot of volume and access to the ambient air, which is not always possible. In addition, the freezing of these exchangers (frost) limits continuous use and is difficult to assess in the design (sizing).
D’autres systèmes utilisent un fluide caloporteur de réchauffage, mais ce dernier est toujours soumis au risque de solidification car, hormis l’hélium, tous les fluides se solidifient aux températures d’ébullition de l’hydrogène. Dans ce cas, deux stratégies d’opération principales existent : dans une premier stratégie cette prise en glace est prévue dans le dimensionnement de l’échangeur de chaleur. Les sections de passages du côté du fluide caloporteur sont prévues suffisamment grandes pour assurer un écoulement dans tous les conditions. Dans une deuxième stratégie on réalise un dimensionnement dans lequel le coefficient d’échange thermique du côté du fluide caloporteur est bien supérieur aux coefficients d’échange thermique du côté de l’hydrogène à refroidir. De plus, l’épaisseur séparant les deux fluides permet d’homogénéiser les températures afin que la température de paroi du côté du fluide caloporteur soit toujours au-dessus de la température de solidification de ce dernier.Other systems use a reheating heat transfer fluid, but the latter is always subject to the risk of solidification because, except for helium, all fluids solidify at the boiling temperatures of hydrogen. In this case, two main operating strategies exist: in a first strategy, this freezing is provided for in the dimensioning of the heat exchanger. The passage sections on the heat transfer fluid side are provided to be large enough to ensure flow under all conditions. In a second strategy, a dimensioning is carried out in which the heat exchange coefficient on the heat transfer fluid side is much higher than the heat exchange coefficients on the side of the hydrogen to be cooled. In addition, the thickness separating the two fluids makes it possible to homogenize the temperatures so that the wall temperature on the heat transfer fluid side is always above the solidification temperature of the latter.
Ces deux stratégies ont l’inconvénient de nécessiter un volume et surtout une masse importante pour l’échangeur. Ceci peut être un problème majeur dans certaines applications. De plus, cette masse importante ne permet pas de réguler la température de l’hydrogène rapidement comme dans d’autres types d’échangeurs, car l’inertie thermique de l’échangeur même est un frein important. Ces systèmes ont aussi souvent un domaine d’opération en débit et pression relativement réduit. These two strategies have the disadvantage of requiring a large volume and especially a large mass for the exchanger. This can be a major problem in certain applications. In addition, this large mass does not allow the temperature of the hydrogen to be regulated quickly as in other types of exchangers, because the thermal inertia of the exchanger itself is a significant obstacle. These systems also often have a relatively reduced flow and pressure operating range.
Il existe également la possibilité de réchauffer l’hydrogène au moins en partie à l’aide de chaleur produite par résistance électrique, mais ceci est économiquement et écologiquement une solution à éviter.There is also the possibility of heating the hydrogen at least in part using heat produced by electrical resistance, but this is an economically and ecologically undesirable solution.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur relevés ci-dessus.An aim of the present invention is to overcome all or part of the drawbacks of the prior art noted above.
A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu’en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites et l’ensemble de vanne(s) correspondantes sont configurés pour permettre d’inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série.To this end, the device according to the invention, moreover in accordance with the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the first set of pipes and the set of corresponding valve(s) are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow to be reversed in the two heat exchange portions in series.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l’invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • le premier ensemble de conduites et l’ensemble de vanne(s) sont configurés pour permettre d’inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en inversant le sens de passage de fluide cryogénique dans les premiers passages sans inverser le sens de circulation du fluide caloporteur de réchauffage dans les seconds passage,
  • le flux de fluide cryogénique et le fluide caloporteur sont à co-courants ou à contre-courant dans l’une ou moins des portions d’échange thermique,
  • l’ensemble de vanne(s) du premier ensemble de conduites comprend un ensemble de vannes pilotées configurées pour inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en réponse à un signal de commande, par exemple en réponse à une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique ou au fluide caloporteur dans le dispositif,
  • le dispositif comprend un organe électronique de stockage et de traitement de donnée comprenant un microprocesseur et configuré pour commander tout ou partie de l’ensemble ensemble de vannes pilotées,
  • le dispositif comprend au moins un capteur de mesure d’une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique et/ou au fluide caloporteur de réchauffage, par exemple une température, un débit, un état,
  • l’organe électronique de stockage et de traitement de donnée est configuré commander tout ou partie de l’ensemble ensemble de vannes pilotées en fonction de la valeur mesurée par le au moins un capteur de mesure par rapport à une valeur de référence,
  • les deux portions d’échange thermique disposées en série appartiennent à un seul échangeur ou à deux échangeurs de chaleurs distincts, par exemple des échangeurs de chaleur identiques,
  • l’échangeur de chaleur ou l’un au moins des échangeurs de chaleurs est du type à plaques ou du type tube(s), par exemple avec le second passage disposé autour du premier passage,
  • le dispositif comprend un échangeur de chaleur ou une portion d’échange thermique de chaleur supplémentaire disposé(e) en série en aval des deux portions d’échange thermique et assurant un échange thermique entre le fluide cryogénique qui a transité dans les deux portions d’échange thermique et un fluide caloporteur.
Furthermore, embodiments of the invention may include one or more of the following features:
  • the first set of pipes and the set of valve(s) are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow to be reversed in the two heat exchange portions in series by reversing the direction of passage of the cryogenic fluid in the first passages without reversing the direction of circulation of the reheating heat transfer fluid in the second passages,
  • the flow of cryogenic fluid and the heat transfer fluid are co-current or counter-current in one or less of the heat exchange portions,
  • the set of valve(s) of the first set of pipes comprises a set of piloted valves configured to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series in response to a control signal, for example in response to a physical quantity value relating to the cryogenic fluid flow or to the heat transfer fluid in the device,
  • the device comprises an electronic data storage and processing unit comprising a microprocessor and configured to control all or part of the set of piloted valves,
  • the device comprises at least one sensor for measuring a physical quantity value relating to the flow of cryogenic fluid and/or to the heating heat transfer fluid, for example a temperature, a flow rate, a state,
  • the electronic data storage and processing unit is configured to control all or part of the set of controlled valves as a function of the value measured by the at least one measurement sensor relative to a reference value,
  • the two heat exchange portions arranged in series belong to a single exchanger or to two separate heat exchangers, for example identical heat exchangers,
  • the heat exchanger or at least one of the heat exchangers is of the plate type or of the tube type, for example with the second passage arranged around the first passage,
  • the device comprises a heat exchanger or an additional heat exchange portion arranged in series downstream of the two heat exchange portions and providing heat exchange between the cryogenic fluid which has passed through the two heat exchange portions and a heat transfer fluid.
L’invention concerne également un procédé de réchauffage d’un flux de fluide cryogénique, par exemple de l’hydrogène liquide, utilisant un dispositif de réchauffage conforme à l’une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous, dans lequel, au cours d’une première étape, un flux de fluide cryogénique à réchauffer est mis en circulation dans les premier passage des deux portions d’échange thermique en série dans un premier ordre et un premier sens de circulation et, simultanément, un fluide caloporteur de réchauffage est mis en circulation dans les seconds passages, le procédé comportant étape d’inversion un flux de fluide cryogénique à réchauffer dans les premier passage des deux portions d’échange thermique en série, c’est-à-dire dans un deuxième ordre et deuxième sens de circulation contraires respectivement aux premier ordre et premier sens de circulation.The invention also relates to a method for reheating a flow of cryogenic fluid, for example liquid hydrogen, using a reheating device conforming to any one of the characteristics above or below, in which, during a first step, a flow of cryogenic fluid to be reheated is circulated in the first passages of the two heat exchange portions in series in a first order and a first direction of circulation and, simultaneously, a reheating heat transfer fluid is circulated in the second passages, the method comprising a step of reversing a flow of cryogenic fluid to be reheated in the first passages of the two heat exchange portions in series, that is to say in a second order and second direction of circulation opposite respectively to the first order and first direction of circulation.
Selon d’autres particularités possibles :
  • au cours de la première étape, les flux de fluide cryogénique à réchauffer et de fluide caloporteur de réchauffage circulent dans le même sens c’est-à-dire à co-courant dans la première des deux portions d’échange thermique en série,
  • , au cours de la première étape, les flux de fluide cryogénique à réchauffer et de fluide caloporteur de réchauffage circulent dans des sens opposés c’est-à-dire à contre-courant dans la seconde des deux portions d’échange thermique en série,
  • le dispositif est configuré de sorte que, à la sortie de la première des deux portions d’échange thermique en série, c’est-à-dire entre les deux portions d’échange thermique, la température du fluide cryogénique est maintenue supérieure à la température de solidification du fluide caloporteur,
  • l’étape d’inversion est déclenchée en réponse à la détection d’au moins un paramètre représentatif d’apparition ou de risque d’apparition d’une solidification du fluide caloporteur dans une portion d’échange thermique,
  • le au moins un paramètre représentatif d’apparition comprend au moins l’un parmi : une variation de débit du fluide caloporteur, une variation de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, un niveau de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, une variation de la perte de charge au sein du dispositif.
According to other possible particularities:
  • during the first stage, the flows of cryogenic fluid to be heated and of the heating heat transfer fluid circulate in the same direction, i.e. co-currently in the first of the two heat exchange portions in series,
  • , during the first stage, the flows of cryogenic fluid to be heated and of the heating heat transfer fluid circulate in opposite directions, i.e. counter-current in the second of the two heat exchange portions in series,
  • the device is configured so that, at the outlet of the first of the two heat exchange portions in series, that is to say between the two heat exchange portions, the temperature of the cryogenic fluid is maintained higher than the solidification temperature of the heat transfer fluid,
  • the inversion step is triggered in response to the detection of at least one parameter representative of the appearance or risk of appearance of solidification of the heat transfer fluid in a heat exchange portion,
  • the at least one representative parameter of appearance comprises at least one of: a variation in flow rate of the heat transfer fluid, a variation in temperature of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a temperature level of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a variation in the pressure drop within the device.
L’invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous dans le cadre des revendications.The invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the features above or below within the scope of the claims.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :Other features and advantages will become apparent upon reading the description below, given with reference to the figures in which:
Brève description des figuresBrief description of the figures
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :The invention will be better understood from reading the following description, given solely by way of example and with reference to the appended drawings in which:
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif de réchauffage selon un premier exemple de réalisation de l’invention, is a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of a heating device according to a first exemplary embodiment of the invention,
est une vue schématique et partielle illustrant un exemple de structure et de fonctionnement d’un dispositif de réchauffage selon un deuxième exemple de réalisation de l’invention. is a schematic and partial view illustrating an example of structure and operation of a heating device according to a second exemplary embodiment of the invention.
Description détailléeDetailed description
Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.In all figures, the same references refer to the same elements.
Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.In this detailed description, the following embodiments are examples. Although the description refers to one or more embodiments, this does not mean that the features apply only to a single embodiment. Single features of different embodiments may also be combined and/or interchanged to provide other embodiments.
Le dispositif 1 de réchauffage d’un flux de fluide cryogénique illustré à la peut être utilisé, par exemple, pour la vaporisation ou le réchauffage de l’hydrogène liquide. Le dispositif 1 peut être utilisé également pour un fluide non cryogénique (par exemple qui est liquide à une température supérieure à 150°C ou supérieure à -100°C).The device 1 for heating a flow of cryogenic fluid illustrated in the can be used, for example, for the vaporization or heating of liquid hydrogen. The device 1 can also be used for a non-cryogenic fluid (for example which is liquid at a temperature above 150°C or above -100°C).
Plus généralement, ce dispositif 1 peut être utilisé pour le réchauffement de fluide (hydrogène par exemple) par échange de chaleur avec un fluide caloporteur dont la température de solidification est supérieure à la température d’entrée du fluide à réchauffer.More generally, this device 1 can be used for heating fluid (hydrogen for example) by heat exchange with a heat transfer fluid whose solidification temperature is higher than the inlet temperature of the fluid to be heated.
Ce dispositif 1 comprend un ensemble d’échangeur(s) 2, 3 de chaleur (deux échangeurs de chaleur disposés en série dans cet exemple) définissant deux portions d’échange thermique en série sur le trajet d’un flux de fluide, par exemple cryogénique, à réchauffer. Chaque portion d’échange thermique comprend au moins un premier passage 12, 13 pour le flux de fluide cryogénique à réchauffer et un second passage 22, 23 pour un fluide caloporteur de réchauffage, les premier et second passages étant en échange thermique.This device 1 comprises a set of heat exchanger(s) 2, 3 (two heat exchangers arranged in series in this example) defining two heat exchange portions in series on the path of a flow of fluid, for example cryogenic, to be heated. Each heat exchange portion comprises at least a first passage 12, 13 for the flow of cryogenic fluid to be heated and a second passage 22, 23 for a heating heat transfer fluid, the first and second passages being in heat exchange.
Le dispositif 1 comprend un premier ensemble de conduites 120, 121, 122 comportant un ensemble de vannes 123, 124 et configurées pour guider du fluide cryogénique dans les premiers passages 12, 13. Le premier ensemble de conduites amène le fluide à l’entrée du ou des premiers passages d’une première portion d’échange thermique puis récupère le fluide qui y a circulé au niveau d’au moins une sortie de la première portion d’échange thermique et guide le flux à l’entrée du ou des premiers passages de la seconde portion d’échange thermique. Le circuit récupère le fluide ayant circulé dans la seconde portion d’échange thermique au niveau d’au moins une sortie. Ce fluide cryogénique réchauffé peut ensuite être dirigé vers une application en aval.The device 1 comprises a first set of pipes 120, 121, 122 comprising a set of valves 123, 124 and configured to guide cryogenic fluid in the first passages 12, 13. The first set of pipes brings the fluid to the inlet of the first passage(s) of a first heat exchange portion then recovers the fluid that has circulated therein at at least one outlet of the first heat exchange portion and guides the flow to the inlet of the first passage(s) of the second heat exchange portion. The circuit recovers the fluid that has circulated in the second heat exchange portion at at least one outlet. This heated cryogenic fluid can then be directed to a downstream application.
Le dispositif 1 comporte également un second ensemble de conduites 32 configurées pour guider du fluide caloporteur dans les second passage 22, 23 des deux portions d’échange thermique. Dans l’exemple illustré, un circuit de fluide caloporteur indépendant est prévu pour chaque portion d’échange thermique. The device 1 also comprises a second set of pipes 32 configured to guide heat transfer fluid into the second passages 22, 23 of the two heat exchange portions. In the example illustrated, an independent heat transfer fluid circuit is provided for each heat exchange portion.
Selon une particularité avantageuse, le premier ensemble de conduites 120, 121, 122 et l’ensemble de vanne(s) 123, 124 correspondantes sont configurés pour permettre d’inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série. C’est-à-dire que le système de distribution de fluide permet d’inverser l’ordre de passage du fluide à réchauffer dans ces deux portions d’échange thermique.According to an advantageous feature, the first set of pipes 120, 121, 122 and the corresponding set of valve(s) 123, 124 are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series to be reversed. That is to say that the fluid distribution system allows the order of passage of the fluid to be heated in these two heat exchange portions to be reversed.
Comme illustrée à la , dans une première configuration non limitative (avant inversion), le flux de fluide cryogénique et le fluide caloporteur sont de préférence orientés à co-courants (même sens) dans la première portion d’échange thermique et à contre-courant (sens opposés) dans la seconde portion d’échange thermique. Dans cet exemple, chaque portion d’échange thermique est traversée par le fluide caloporteur dans le même sens. C’est-à-dire que, dans cet exemple, les deux flux de fluide caloporteurs arrivent d’un même côté (par exemple longitudinal) et repartent d’un autre même côté (par exemple longitudinal).As illustrated in the , in a first non-limiting configuration (before inversion), the cryogenic fluid flow and the heat transfer fluid are preferably oriented in co-current (same direction) in the first heat exchange portion and in counter-current (opposite directions) in the second heat exchange portion. In this example, each heat exchange portion is crossed by the heat transfer fluid in the same direction. That is to say that, in this example, the two heat transfer fluid flows arrive on the same side (for example longitudinal) and leave on the same side (for example longitudinal).
Par exemple, le premier ensemble de conduites 120, 121, 122 et l’ensemble de vanne(s) 123, 124 permettent d’inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en inversant le sens de passage de fluide cryogénique dans les premiers passages 12, 13 sans inverser le sens de circulation du fluide caloporteur de réchauffage dans les seconds passages. A cet effet, les extrémités des premiers passages 12 des deux portions d’échange thermique situées d’un même côté peuvent être reliées en parallèle à une arrivée de fluide cryogénique à réchauffer, par exemple via des conduites en parallèle et un ensemble de vannes 123. For example, the first set of pipes 120, 121, 122 and the set of valve(s) 123, 124 make it possible to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series by reversing the direction of passage of the cryogenic fluid in the first passages 12, 13 without reversing the direction of circulation of the reheating heat transfer fluid in the second passages. For this purpose, the ends of the first passages 12 of the two heat exchange portions located on the same side can be connected in parallel to an inlet of cryogenic fluid to be reheated, for example via parallel pipes and a set of valves 123.
Après inversion, le fluide cryogénique et le fluide caloporteur restent à co-courants dans la première portion d’échange thermique (la première portion d’échange thermique traversée par le fluide cryogénique) puis à contre-courant dans la seconde portion d’échange thermique (la seconde portion d’échange thermique traversée par le fluide cryogénique après son passage dans la première portion d’échange thermique).After inversion, the cryogenic fluid and the heat transfer fluid remain co-current in the first heat exchange portion (the first heat exchange portion crossed by the cryogenic fluid) then counter-current in the second heat exchange portion (the second heat exchange portion crossed by the cryogenic fluid after its passage in the first heat exchange portion).
De préférence avant et après inversion, la deuxième portion d’échange thermique réalise toujours un échange de chaleur à contre-courant entre le fluide cryogénique et le fluide caloporteur. De préférence cet échange thermique est toujours à co-courant dans la première portion d’échange thermique.Preferably before and after inversion, the second heat exchange portion always performs a countercurrent heat exchange between the cryogenic fluid and the heat transfer fluid. Preferably this heat exchange is always cocurrent in the first heat exchange portion.
Ces mêmes extrémités des premiers passages 12 des deux portions d’échange thermique qui ne débouchent pas entre les deux portions d’échange thermique peuvent être reliées en parallèle à une sortie de fluide cryogénique réchauffé, par exemple via des conduites en parallèle et un ensemble de vannes 124. Dans l’exemple illustré quatre vannes 123, 124 à deux voies sont utilisées mais il est possible de prévoir un autre nombre de vannes, par exemple en utilisant des vannes à trois voies.These same ends of the first passages 12 of the two heat exchange portions which do not open between the two heat exchange portions can be connected in parallel to an outlet of heated cryogenic fluid, for example via parallel pipes and a set of valves 124. In the example illustrated, four two-way valves 123, 124 are used but it is possible to provide another number of valves, for example by using three-way valves.
Par rapport à la première configuration d’écoulement symbolisée à la avec des flèches (vanne ouvertes en blanc et vannes fermées en noir), l’inversion du chemin du flux de fluide cryogénique à réchauffé peut être obtenue en inversant les ouvertures/fermetures des vannes (chemin inversé en pointillés).Compared to the first flow configuration symbolized in the with arrows (open valves in white and closed valves in black), the reversal of the cryogenic fluid flow path to be heated can be obtained by reversing the openings/closings of the valves (reversed path in dotted lines).
L’ensemble de vannes 123, 124 du premier ensemble de conduites 120, 121, 122 comprend par exemple un ensemble de vannes pilotées configurées pour inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en réponse à un signal de commande, par exemple en réponse à une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique ou caloporteur dans le dispositif.The set of valves 123, 124 of the first set of pipes 120, 121, 122 comprises for example a set of piloted valves configured to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series in response to a control signal, for example in response to a physical quantity value relating to the cryogenic or heat transfer fluid flow in the device.
Le dispositif 1 peut comporter un organe 5 électronique de stockage et de traitement de données comprenant un microprocesseur et configuré pour commander tout ou partie de l’ensemble de vannes pilotées.The device 1 may comprise an electronic data storage and processing unit 5 comprising a microprocessor and configured to control all or part of the set of piloted valves.
Le dispositif peut comprendre au moins un capteur 4 de mesure d’une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique et/ou au fluide caloporteur de réchauffage, par exemple une température, un débit, un état, pour déclencher (automatiquement) l’inversion du flux.The device may comprise at least one sensor 4 for measuring a physical quantity value relating to the flow of cryogenic fluid and/or to the heating heat transfer fluid, for example a temperature, a flow rate, a state, to trigger (automatically) the inversion of the flow.
Par exemple, l’inversion peut être déclenchée en réponse à la mesure 4 d’un seuil bas déterminé de température du fluide cryogénique à réchauffer mesurée en sortie de la première portion d’échange thermique.For example, the inversion can be triggered in response to measurement 4 of a determined low threshold of temperature of the cryogenic fluid to be heated measured at the outlet of the first heat exchange portion.
Tout autre paramètre alternatif ou cumulatif peut être envisagé pour générer l’inversion, par exemple un paramètre mesuré ou calculé ou estimé représentatif d’apparition ou de risque d’apparition d’une solidification de fluide caloporteur trop importante dans une portion d’échange thermique. Par exemple un au moins des paramètres suivants (mesuré ou calculé) peut déclencher l’inversion : une variation de débit du fluide caloporteur, une variation de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, un niveau de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, une variation de la perte de charge au sein du dispositif.Any other alternative or cumulative parameter may be considered to generate the inversion, for example a measured or calculated or estimated parameter representative of the occurrence or risk of occurrence of excessive solidification of the heat transfer fluid in a heat exchange portion. For example, at least one of the following parameters (measured or calculated) may trigger the inversion: a variation in the flow rate of the heat transfer fluid, a variation in the temperature of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a temperature level of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a variation in the pressure drop within the device.
Ainsi, en cas de détection de formation d’une couche de solide trop importante (par exemple par déséquilibrage des débits du fluide caloporteur ou par baisse de température du fluide à refroidir en sortie de l’échangeur utilisé en co-courant ou encore par augmentation de la perte de charge du fluide caloporteur à travers l’échangeur), l’inversion est déclenchée. Le fluide partiellement réchauffé (température supérieure à la température de solidification du fluide caloporteur) est mis en échange thermique avec la portion solidifiée qui sera ainsi réchauffée et re-liquéfiée. Ce solide sera donc liquéfié rapidement et le passage de nouveau libéré. Ceci permettra si nécessaire d’inverser à nouveau l’ordre des échangeurs en cas de détection de début de bouchage dans l’autre passage ou portion.Thus, in the event of detection of the formation of too large a layer of solid (for example due to unbalancing of the flow rates of the heat transfer fluid or by a drop in the temperature of the fluid to be cooled at the outlet of the exchanger used in co-current or by an increase in the pressure drop of the heat transfer fluid through the exchanger), the inversion is triggered. The partially heated fluid (temperature higher than the solidification temperature of the heat transfer fluid) is put into heat exchange with the solidified portion which will thus be heated and re-liquefied. This solid will therefore be liquefied quickly and the passage cleared again. This will make it possible, if necessary, to reverse the order of the exchangers again in the event of detection of the start of blockage in the other passage or portion.
Cette solution permet d’assumer temporairement une solidification du fluide caloporteur pendant un certain temps, avant de liquéfier ce solide. La structure du dispositif ne nécessite pas de dédoubler le système dans sa totalité pour assurer cette fonction.This solution allows to temporarily assume a solidification of the heat transfer fluid for a certain time, before liquefying this solid. The structure of the device does not require to split the system in its entirety to ensure this function.
Dans l’exemple illustré les deux portions d’échange thermique sont formées dans deux échangeurs de chaleurs distincts (par exemple identiques). Bien entendu, ces deux portions d’échange thermiques pourraient être formées au sein d’un même échangeur de chaleur.In the illustrated example, the two heat exchange portions are formed in two separate (e.g. identical) heat exchangers. Of course, these two heat exchange portions could be formed within the same heat exchanger.
De plus, l’exemple illustré prévoit des échangeurs en tube concentriques (fluide caloporteur autour du fluide à réchauffer), mais d’autres types de technologies d’échangeurs de chaleur (ainsi que leurs combinaisons) sont possibles : échangeurs de chaleur de type « tube-en-tube », « multitube-en-tube », à « plaques ».In addition, the illustrated example provides for concentric tube exchangers (heat transfer fluid around the fluid to be heated), but other types of heat exchanger technologies (as well as their combinations) are possible: “tube-in-tube”, “multi-tube-in-tube”, “plate” heat exchangers.
De préférence, les ou au moins l’un des échangeurs de chaleur possèdent, pour chaque fluide, un seul distributeur de fluide en entrée et un seul collecteur du fluide en sortie. Par exemple, pour le fluide caloporteur, le distributeur (entrée) et le collecteur (sortie) peuvent être communs aux deux portions. De même, il est possible de prévoir une seule calandre pour le fluide caloporteur pour les deux portions et deux ou plusieurs tubes pour le fluide à réchauffer.Preferably, the or at least one of the heat exchangers has, for each fluid, a single fluid distributor at the inlet and a single fluid collector at the outlet. For example, for the heat transfer fluid, the distributor (inlet) and the collector (outlet) may be common to both portions. Similarly, it is possible to provide a single shell for the heat transfer fluid for both portions and two or more tubes for the fluid to be heated.
Les deux portions d’échange thermiques peuvent être dimensionnées pour que chacune n’assure pas l’intégralité du réchauffement final souhaité du fluide cryogénique. Par exemple, chaque portion d’échange thermique est configurée pour assurer un réchauffement du fluide cryogénique jusqu’à une température supérieure à la température de solidification du fluide caloporteur. The two heat exchange portions can be sized so that each does not provide all of the desired final heating of the cryogenic fluid. For example, each heat exchange portion is configured to provide heating of the cryogenic fluid to a temperature above the solidification temperature of the heat transfer fluid.
Ainsi, pendant que le fluide à réchauffer entre à co-courant dans la première portion d’échange thermique, il se réchauffe jusqu’au-dessus de la température de solidification du fluide caloporteur. Ce fluide partiellement réchauffé passe ensuite dans la seconde portion d’échange thermique d’où il sort à une température proche de la température d’entrée du fluide caloporteur.Thus, while the fluid to be heated enters co-currently into the first heat exchange portion, it heats up to above the solidification temperature of the heat transfer fluid. This partially heated fluid then passes into the second heat exchange portion from where it exits at a temperature close to the inlet temperature of the heat transfer fluid.
De préférence également, les portions d’échange thermique sont dimensionnées pour que le coefficient de transfert thermique du côté du fluide caloporteur soit bien supérieur au coefficient d’échange thermique du côté du fluide à refroidir. Also preferably, the heat exchange portions are sized so that the heat transfer coefficient on the heat transfer fluid side is much higher than the heat exchange coefficient on the side of the fluid to be cooled.
De préférence le dispositif est isolé thermiquement, mais de préférence sans vide.Preferably the device is thermally insulated, but preferably without a vacuum.
Dans le cas d’une telle installation, le flux de fluide réchauffé peut être soumis à des variations de température, notamment suite au passage du fluide réchauffé dans des parties de tuyauterie traversées précédemment par du fluide très froid. Pour lisser ou encore surchauffer le fluide il peut être prévu un échangeur 3 ou portion d’échange thermique de chaleur supplémentaire en série en aval comme illustré à la (passages 13, 23, circuit de fluide caloporteur 32 qui peut être un flux de fluide caloporteur distinct et différent de celui employé pour les portions précitées). C’est-à-dire qu’un troisième échangeur (co-courant ou de préférence à contre-courant) peut être prévu en aval pour encore chauffer le fluide cryogénique ou pour stabiliser sa température.In the case of such an installation, the flow of heated fluid may be subject to temperature variations, in particular following the passage of the heated fluid through parts of piping previously crossed by very cold fluid. To smooth or even overheat the fluid, an exchanger 3 or additional heat exchange portion may be provided in series downstream as illustrated in (passages 13, 23, heat transfer fluid circuit 32 which may be a separate heat transfer fluid flow different from that used for the aforementioned portions). That is to say, a third exchanger (co-current or preferably counter-current) may be provided downstream to further heat the cryogenic fluid or to stabilize its temperature.
L’invention permet un réchauffement fonctionnant en continue même avec des conditions d’opération variables. Le dispositif est léger et compact et peut utiliser un fluide caloporteur usuel.The invention allows for continuous heating even with variable operating conditions. The device is light and compact and can use a conventional heat transfer fluid.

Claims (16)

  1. Dispositif de réchauffage d’un flux de fluide cryogénique, par exemple pour la vaporisation de l’hydrogène liquide, comprenant un ensemble d’échangeur(s) (2, 3) de chaleur définissant, disposées en série, deux portions d’échange thermique comprenant chacune au moins un premier passage (12, 13) pour le flux de fluide cryogénique à réchauffer et au moins un second passage (22, 23) pour un fluide caloporteur de réchauffage, les premier et second passages étant configurées pour échanger thermiquement, le dispositif (1) comprenant un premier ensemble de conduites (120, 121, 122) comportant un ensemble de vanne(s) (123, 124) et configurées pour guider du fluide cryogénique dans les premiers passages (12, 13), un second ensemble de conduites (32) configurées pour guider du fluide caloporteur dans les seconds passages (22, 23), dans lequel, le premier ensemble de conduites (120, 121, 122) et l’ensemble de vanne(s) (123, 124) correspondantes sont configurés pour permettre d’inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série, caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites (120, 121, 122) et l’ensemble de vanne(s) (123, 124) sont configurés pour permettre d’inverser en outre l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en inversant le sens de passage de fluide cryogénique dans les premiers passages (12, 13) sans inverser le sens de circulation du fluide caloporteur de réchauffage dans les seconds passage (22, 23).Device for heating a cryogenic fluid flow, for example for the vaporization of liquid hydrogen, comprising a set of heat exchanger(s) (2, 3) defining, arranged in series, two heat exchange portions each comprising at least a first passage (12, 13) for the cryogenic fluid flow to be heated and at least a second passage (22, 23) for a heating heat transfer fluid, the first and second passages being configured to exchange heat, the device (1) comprising a first set of pipes (120, 121, 122) comprising a set of valve(s) (123, 124) and configured to guide cryogenic fluid in the first passages (12, 13), a second set of pipes (32) configured to guide heat transfer fluid in the second passages (22, 23), in which the first set of pipes (120, 121, 122) comprises ... second set of pipes (32) comprises a set of valve(s) (123, 124) and configured to guide cryogenic fluid in the second passages (22, 23), in which the second set of pipes (32) comprises a set of valve(s) (123, 124) and configured to guide cryogenic fluid in the second passages (22, 23), in which the second set of pipes (32) comprises a set of valve(s) (123, 124) and configured to guide cry 121, 122) and the corresponding valve assembly(s) (123, 124) are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow to be reversed in the two heat exchange portions in series, characterized in that the first set of pipes (120, 121, 122) and the valve assembly(s) (123, 124) are configured to allow the order of passage of the cryogenic fluid flow to be reversed in the two heat exchange portions in series by reversing the direction of passage of the cryogenic fluid in the first passages (12, 13) without reversing the direction of circulation of the reheating heat transfer fluid in the second passages (22, 23).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de fluide cryogénique et le fluide caloporteur sont à co-courants ou à contre-courant dans l’une ou moins des portions d’échange thermique.Device according to claim 1, characterized in that the flow of cryogenic fluid and the heat transfer fluid are co-current or counter-current in one or at least one of the heat exchange portions.
  3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le premier ensemble de conduites (120, 121, 122) et son ensemble de vanne(s) (123, 124) sont configurés pour que, avant et après inversion le fluide caloporteur et le fluide cryogénique restent à co-courants dans la première portion d’échange thermique puis à contre-courant dans la seconde portion d’échange thermique.Device according to claim 2, characterized in that the first set of pipes (120, 121, 122) and its set of valve(s) (123, 124) are configured so that, before and after inversion, the heat transfer fluid and the cryogenic fluid remain in co-current in the first heat exchange portion and then in counter-current in the second heat exchange portion.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’ensemble de vanne(s) (123, 124) du premier ensemble de conduites (120, 121, 122) comprend un ensemble de vannes pilotées configurées pour inverser l’ordre de passage du flux de fluide cryogénique dans les deux portions d’échange thermique en série en réponse à un signal de commande, par exemple en réponse à une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique ou au fluide caloporteur dans le dispositif.Device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the set of valve(s) (123, 124) of the first set of pipes (120, 121, 122) comprises a set of piloted valves configured to reverse the order of passage of the cryogenic fluid flow in the two heat exchange portions in series in response to a control signal, for example in response to a physical quantity value relating to the cryogenic fluid flow or to the heat transfer fluid in the device.
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’il comprend un organe (5) électronique de stockage et de traitement de donnée comprenant un microprocesseur et configuré pour commander tout ou partie de l’ensemble de vannes pilotées.Device according to claim 4, characterized in that it comprises an electronic data storage and processing member (5) comprising a microprocessor and configured to control all or part of the set of piloted valves.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un capteur (4) de mesure d’une valeur de grandeur physique relative au flux de fluide cryogénique et/ou au fluide caloporteur de réchauffage, par exemple une température, un débit, un état.Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises at least one sensor (4) for measuring a physical quantity value relating to the flow of cryogenic fluid and/or to the heating heat transfer fluid, for example a temperature, a flow rate, a state.
  7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l’organe (5) électronique de stockage et de traitement de donnée est configuré commander tout ou partie de l’ensemble de vannes pilotées en fonction de la valeur mesurée par le au moins un capteur (4) de mesure par rapport à une valeur de référence.Device according to claims 5 and 6, characterized in that the electronic data storage and processing member (5) is configured to control all or part of the set of controlled valves as a function of the value measured by the at least one measurement sensor (4) relative to a reference value.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux portions d’échange thermique disposées en série appartiennent à un seul échangeur ou à deux échangeurs de chaleurs distincts, par exemple des échangeurs de chaleur identiques.Device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the two heat exchange portions arranged in series belong to a single exchanger or to two separate heat exchangers, for example identical heat exchangers.
  9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur ou l’un au moins des échangeurs de chaleurs est du type à plaques ou du type tube(s), par exemple avec le second passage (22, 23) disposé autour du premier passage (12, 13).Device according to claim 8, characterized in that the heat exchanger or at least one of the heat exchangers is of the plate type or of the tube type, for example with the second passage (22, 23) arranged around the first passage (12, 13).
  10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend un échangeur (3) de chaleur ou une portion d’échange thermique de chaleur supplémentaire disposé(e) en série en aval des deux portions d’échange thermique et assurant un échange thermique entre le fluide cryogénique qui a transité dans les deux portions d’échange thermique et un fluide caloporteur (32).Device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises a heat exchanger (3) or an additional heat exchange portion arranged in series downstream of the two heat exchange portions and ensuring a heat exchange between the cryogenic fluid which has passed through the two heat exchange portions and a heat transfer fluid (32).
  11. Procédé de réchauffage d’un flux de fluide cryogénique, par exemple de l’hydrogène liquide, utilisant un dispositif de réchauffage conforme à l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel, au cours d’une première étape, un flux de fluide cryogénique à réchauffer est mis en circulation dans les premier passage (12, 13) des deux portions d’échange thermique en série dans un premier ordre et un premier sens de circulation et, simultanément, un fluide caloporteur de réchauffage est mis en circulation dans les seconds passages (22, 23), le procédé comportant une étape d’inversion un flux de fluide cryogénique à réchauffer dans les premier passage (12, 13) des deux portions d’échange thermique en série, c’est-à-dire dans un deuxième ordre et deuxième sens de circulation contraires respectivement aux premier ordre et premier sens de circulation.Method for reheating a flow of cryogenic fluid, for example liquid hydrogen, using a reheating device according to any one of claims 1 to 10, in which, during a first step, a flow of cryogenic fluid to be reheated is circulated in the first passages (12, 13) of the two heat exchange portions in series in a first order and a first direction of circulation and, simultaneously, a reheating heat transfer fluid is circulated in the second passages (22, 23), the method comprising a step of reversing a flow of cryogenic fluid to be reheated in the first passages (12, 13) of the two heat exchange portions in series, that is to say in a second order and second direction of circulation opposite respectively to the first order and first direction of circulation.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que, au cours de la première étape, les flux de fluide cryogénique à réchauffer et de fluide caloporteur de réchauffage circulent dans le même sens c’est-à-dire à co-courant dans la première des deux portions d’échange thermique en série.Method according to claim 11, characterized in that, during the first step, the flows of cryogenic fluid to be heated and of heat transfer fluid for heating circulate in the same direction, that is to say co-currently in the first of the two heat exchange portions in series.
  13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que, au cours de la première étape, les flux de fluide cryogénique à réchauffer et de fluide caloporteur de réchauffage circulent dans des sens opposés c’est-à-dire à contre-courant dans la seconde des deux portions d’échange thermique en série.Method according to claim 11 or 12, characterized in that, during the first step, the flows of cryogenic fluid to be heated and of heat transfer fluid for heating circulate in opposite directions, that is to say counter-current in the second of the two heat exchange portions in series.
  14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le dispositif est configuré de sorte que, à la sortie de la première des deux portions d’échange thermique en série, c’est-à-dire entre les deux portions d’échange thermique, la température du fluide cryogénique est maintenue supérieure à la température de solidification du fluide caloporteur.Method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the device is configured so that, at the outlet of the first of the two heat exchange portions in series, that is to say between the two heat exchange portions, the temperature of the cryogenic fluid is kept higher than the solidification temperature of the heat transfer fluid.
  15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce que l’étape d’inversion est déclenchée en réponse à la détection d’au moins un paramètre représentatif d’apparition ou de risque d’apparition d’une solidification du fluide caloporteur dans une portion d’échange thermique.Method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the inversion step is triggered in response to the detection of at least one parameter representative of the appearance or risk of appearance of solidification of the heat transfer fluid in a heat exchange portion.
  16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le au moins un paramètre représentatif d’apparition comprend au moins l’un parmi : une variation de débit du fluide caloporteur, une variation de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, un niveau de température du fluide cryogénique et/ou du fluide caloporteur, une variation de la perte de charge au sein du dispositif.Method according to claim 15, characterized in that the at least one parameter representative of appearance comprises at least one of: a variation in flow rate of the heat transfer fluid, a variation in temperature of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a temperature level of the cryogenic fluid and/or the heat transfer fluid, a variation in the pressure drop within the device.
PCT/EP2024/050438 2023-02-07 2024-01-10 Device and method for heating a flow of fluid WO2024165254A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2301128A FR3145606A1 (en) 2023-02-07 2023-02-07 Device and method for heating a fluid flow
FRFR2301128 2023-02-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024165254A1 true WO2024165254A1 (en) 2024-08-15

Family

ID=86329237

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2024/050438 WO2024165254A1 (en) 2023-02-07 2024-01-10 Device and method for heating a flow of fluid

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3145606A1 (en)
WO (1) WO2024165254A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2148371A1 (en) * 1971-07-27 1973-03-23 Marston Excelsior Ltd Ribbed plate heat exchanger - esp for cryogenic plant with at least three sets of channels
US5937656A (en) * 1997-05-07 1999-08-17 Praxair Technology, Inc. Nonfreezing heat exchanger
US8887513B2 (en) * 2006-11-03 2014-11-18 Kellogg Brown & Root Llc Three-shell cryogenic fluid heater
US20210356196A1 (en) * 2020-05-13 2021-11-18 Chart Inc. Vaporizer with Defrosting Function

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2148371A1 (en) * 1971-07-27 1973-03-23 Marston Excelsior Ltd Ribbed plate heat exchanger - esp for cryogenic plant with at least three sets of channels
US5937656A (en) * 1997-05-07 1999-08-17 Praxair Technology, Inc. Nonfreezing heat exchanger
US8887513B2 (en) * 2006-11-03 2014-11-18 Kellogg Brown & Root Llc Three-shell cryogenic fluid heater
US20210356196A1 (en) * 2020-05-13 2021-11-18 Chart Inc. Vaporizer with Defrosting Function

Also Published As

Publication number Publication date
FR3145606A1 (en) 2024-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FR2715213A1 (en) Method and apparatus for operating a refrigeration system, characterized by regulating the maximum operating pressure.
FR3037639A1 (en) THERMAL MANAGEMENT DEVICE
FR3070316A1 (en) INDIRECT INDIRECT AIR CONDITIONING CIRCUIT FOR A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR MANAGING THE SAME
WO2024165254A1 (en) Device and method for heating a flow of fluid
EP1325269A1 (en) Vehicle air conditioning device using a supercritical cycle
FR2778970A1 (en) Deicing evaporators of refrigeration equipment and/or heat pumps
EP3606776A1 (en) Indirect reversible air-conditioning circuit for a motor vehicle, and method for operation in defrosting mode
FR3043762B1 (en) HEAT PUMP SYSTEM WITH ELECTRICAL EXPANSION VALVE FOR IMPROVED MONITORING OF HUMIDITY IN A HABITACLE
EP2288841B1 (en) System and method for vaporising a co2 containing cryogenic fluid, in particular liquefied natural gas
EP3990299A1 (en) Method for managing a thermal management device for a motor vehicle
FR3067796A1 (en) HEAT PUMP HEATING CIRCUIT FOR A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR MANAGING THE SAME
EP3027978B1 (en) Refrigerating circuit, facility comprising such a circuit and corresponding method
FR3069911A1 (en) METHOD FOR MANAGING AN INDIRECT INDIRECT AIR CONDITIONING CIRCUIT OF A MOTOR VEHICLE
EP3658394B1 (en) Method for managing an indirect reversible air-conditioning circuit for a motor vehicle
BE875118A (en) METHOD AND APPARATUS FOR VAPORIZING LIQUEFIED NATURAL GAS
FR3069626A1 (en) METHOD FOR MANAGING A MOTOR VEHICLE AIR CONDITIONING CIRCUIT
FR3066808B1 (en) METHOD FOR MANAGING AN INVERSIBLE AIR CONDITIONING CIRCUIT OF A MOTOR VEHICLE
EP2770288B1 (en) System for storing and withdrawing thermal energy contained in a fluid
FR3145975A3 (en) Device and installation for heating a cryogenic fluid flow and corresponding vaporization process
EP2952706B1 (en) Heat-exchange device, exhaust line of a combustion engine and thermoelectric module including such a device
FR3066584A1 (en) INDIRECT INDIRECT AIR CONDITIONING CIRCUIT FOR A MOTOR VEHICLE AND METHOD FOR MANAGING HEAT PUMP MODE
WO2024200165A1 (en) Coupling secondary-refrigerant and heat-transfer effects in a method and a device for treating flue gases
WO2008031962A1 (en) System for cooling the propulsion unit of a motor vehicle and method for controlling such a system
EP4330607A1 (en) Method for calibrating an electronic expansion valve within a thermal management device for a motor vehicle
EP3882506A1 (en) System for controlling co2 temperature in steam outlet

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 24700421

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1