FR2990018A1

FR2990018A1 - AIR CONDITIONING DEVICE AND METHOD USING DEEP WATER

Info

Publication number: FR2990018A1
Application number: FR1253979A
Authority: FR
Inventors: Bruno Garnier
Original assignee: DEPROFUNDIS
Current assignee: De Profundis Ingenium Fr
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2013-11-01
Anticipated expiration: 2032-04-30
Also published as: EP2844925A1; WO2013164526A1; FR2990018B1

Abstract

L'invention propose une installation de climatisation utilisant de l'eau profonde, caractérisée en ce qu'elle comprend la fourniture de : - une pompe immergée 2; - une conduite profonde 3, reliée à l'amont de la pompe et disposée pour amener l'eau depuis une profondeur désirée jusqu'à la pompe ; et, - une conduite d'atterrage 4, reliée à l'aval de la pompe et disposée pour amener l'eau depuis la pompe. Elle propose aussi un procédé de climatisation associé. Une telle installation permet de s'affranchir des problèmes de cavitation, tout en procurant des avantages notables de dimensionnement et de mise en oeuvre.The invention proposes an air conditioning installation using deep water, characterized in that it comprises the supply of: - a submerged pump 2; - A deep pipe 3, connected upstream of the pump and arranged to bring the water from a desired depth to the pump; and, a landing pipe 4, connected downstream of the pump and arranged to bring the water from the pump. It also offers an associated air conditioning process. Such an installation makes it possible to overcome the problems of cavitation, while providing significant advantages of sizing and implementation.

Description

10 La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de climatisation utilisant de l'eau profonde, c'est-à-dire issue de profondeurs sous-marines ou lacustres en tant que source froide. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la production d'un flux d'eau refroidie pouvant être utilisé pour climatiser des locaux. 15 D'une façon générale, on sait qu'il existe déjà des installations de climatisation utilisant des échangeurs thermiques raccordés à un dispositif permettant de pomper de l'eau de mer à une profondeur sous-marine correspondant à la température recherchée, au moyen d'une pompe connectée à un tuyau 20 partiellement immergé. L'eau de mer ainsi aspirée passe dans le circuit primaire d'un échangeur pour être ensuite rejetée dans la mer, de préférence à une profondeur correspondant à sa température. Au passage dans ce circuit primaire, l'eau de mer échange des calories avec le circuit secondaire de l'échangeur, lequel peut être, par exemple, raccordé à une installation de 25 climatisation. On sait par ailleurs que la mise en oeuvre de cette solution nécessite d'utiliser des tuyaux présentant un diamètre minimal. En effet, le pompage par aspiration d'un liquide dans un tuyau provoque, si les pertes de charge dans le 30 tuyau sont trop importantes, un phénomène de cavitation qui altère la structure des équipements. Ainsi, afin d'éviter cette cavitation, on utilise des tuyaux présentant un diamètre minimal, à savoir généralement des tuyaux ayant au moins 60 centimètres de diamètre interne, de façon à réduire les pertes de charge. The present invention relates to a method and an air conditioning device using deep water, that is to say from underwater or lacustrine depths as a cold source. It applies in particular, but not exclusively, to the production of a stream of cooled water that can be used to cool rooms. In general, it is known that there already exist air conditioning systems using heat exchangers connected to a device for pumping sea water to an underwater depth corresponding to the desired temperature, by means of a pump connected to a pipe 20 partially immersed. The seawater thus sucked passes into the primary circuit of an exchanger and is then discharged into the sea, preferably at a depth corresponding to its temperature. In passing through this primary circuit, the seawater exchanges heat with the secondary circuit of the exchanger, which can be, for example, connected to an air-conditioning installation. It is also known that the implementation of this solution requires the use of pipes having a minimum diameter. In fact, the suction pumping of a liquid in a pipe causes, if the pressure drops in the pipe are too great, a cavitation phenomenon which alters the structure of the equipment. Thus, in order to prevent this cavitation, pipes having a minimum diameter, that is to say generally pipes having at least 60 centimeters internal diameter, are used so as to reduce the pressure drops.

Cependant, l'utilisation de tuyaux de fort diamètre présente de nombreux inconvénients, notamment des coûts de fourniture et de mise en oeuvre importants, qui augmentent notablement le seuil de rentabilité du dispositif. Pour résoudre ce problème, le document FR 2 927 158 propose une installation de climatisation comprenant un circuit en boucle fermée et un échangeur immergé, ce qui permet d'utiliser des tuyaux de diamètre fortement réduit dans lesquels l'eau peut circuler deux à trois fois plus vite que dans les installations de l'art antérieur. Une telle installation permet de s'affranchir des phénomènes de cavitation. Une telle architecture est cependant plus particulièrement adaptée à des installations de petite taille, typiquement moins de 1 MWf (mégawatt froid). Outre le fait qu'une telle architecture n'est pas adaptée aux grandes installations, elle n'est pas, non plus, exempte d'inconvénients. Notamment, elle nécessite une double longueur de tuyau, et un échange thermique entre le fluide dans le circuit fermé et l'eau profonde, ce qui tend à diminuer le rendement de l'installation. En outre, l'utilisation d'une grande longueur de tuyau de faible diamètre contribue aussi à diminuer le rendement de l'installation. However, the use of large diameter pipes has many disadvantages, including significant supply and implementation costs, which significantly increase the breakeven of the device. To solve this problem, the document FR 2 927 158 proposes an air conditioning installation comprising a closed-loop circuit and a submerged heat exchanger, which makes it possible to use pipes of greatly reduced diameter in which the water can circulate two to three times. faster than in the installations of the prior art. Such an installation makes it possible to overcome the phenomena of cavitation. Such an architecture is however more particularly suitable for small installations, typically less than 1 MWf (megawatt cold). In addition to the fact that such an architecture is not suitable for large installations, it is not free of drawbacks either. In particular, it requires a double length of pipe, and a heat exchange between the fluid in the closed circuit and the deep water, which tends to reduce the efficiency of the installation. In addition, the use of a long length of small diameter pipe also contributes to reducing the efficiency of the installation.

Le but de l'invention est de proposer une installation simplifiée, permettant un rendement amélioré. Selon un premier objet de l'invention, il est proposé un procédé de 30 climatisation utilisant de l'eau profonde caractérisé en ce qu'il comprend la fourniture de : une pompe immergée ; au moins une conduite profonde, reliée à l'amont de la pompe et disposée pour amener l'eau depuis une profondeur désirée jusqu'à la pompe ; et, au moins une conduite d'atterrage, reliée à l'aval de la pompe et disposée pour amener l'eau depuis la pompe. De préférence, on immerge la pompe à une profondeur comprise entre 20 et 40 mètres sous le niveau des plus basses eaux normales. La conduite d'affenage 10 est avantageusement réalisée, au moins en partie, par une technique de forage dirigé. Selon un deuxième objet de l'invention, il est proposé une installation de climatisation utilisant de l'eau profonde qui comprend : 15 une pompe immergée ; au moins une conduite profonde, reliée à l'amont de la pompe et disposée pour amener l'eau depuis une profondeur désirée jusqu'à la pompe ; et, au moins une conduite d'affenage, reliée à l'aval de la pompe et 20 disposée pour amener l'eau depuis la pompe. La pompe est de préférence disposée à une profondeur comprise entre 20 et 40 mètres sous le niveau des plus basses eaux normales. La conduite d'atterrage a avantageusement une section comprise entre la moitié et le quart de la section 25 de la conduite profonde, de préférence environ un tiers. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels : 30 La figure 1, unique, est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention. The object of the invention is to provide a simplified installation, allowing improved performance. According to a first object of the invention, there is provided an air conditioning method using deep water characterized in that it comprises the supply of: a submerged pump; at least one deep pipe, connected upstream of the pump and arranged to bring the water from a desired depth to the pump; and, at least one landing line connected to the downstream of the pump and arranged to bring the water from the pump. Preferably, the pump is immersed at a depth of between 20 and 40 meters below the level of the lowest normal waters. The flushing duct 10 is advantageously carried out, at least in part, by a directional drilling technique. According to a second object of the invention, there is provided an air conditioning installation using deep water which comprises: a submerged pump; at least one deep pipe, connected upstream of the pump and arranged to bring the water from a desired depth to the pump; and, at least one flushing duct connected to the downstream side of the pump and arranged to supply the water from the pump. The pump is preferably located at a depth of between 20 and 40 meters below the level of the lowest normal waters. The landing pipe advantageously has a section between half and a quarter of the section 25 of the deep pipe, preferably about one-third. Embodiments of the invention will be described hereinafter by way of non-limiting examples with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a single schematic representation of a device according to invention.

La figure illustre schématiquement une installation de climatisation 1 utilisant de l'eau profonde, c'est-à-dire puisée en profondeur en mer. Cette installation 1 comprend notamment : une pompe 2 ; deux conduites profondes 3 ; et, deux conduites d'atterrage 4. L'installation 1 est prévue pour la climatisation d'un bâtiment 5. The figure schematically illustrates an air conditioning installation 1 using deep water, that is to say, drawn from deep sea. This installation 1 comprises in particular: a pump 2; two deep pipes 3; and, two landing ducts 4. Installation 1 is provided for the air conditioning of a building 5.

Dans l'exemple illustré, les profondeurs P sont mesurées relativement à un niveau N des plus basses mers. La pompe 2 est immergée et ancrée sur le sol à une profondeur P2. De 15 préférence P2 est compris entre vingt et cinquante mètres ; dans l'exemple illustré, P2 est égal à vingt mètres. Chaque conduite profonde 3 est disposée à l'amont de la pompe pour amener l'eau depuis une extrémité profonde 6 de ladite conduite jusqu'à une entrée de 20 pompe 7. L'extrémité profonde 6 est disposée à une profondeur de puisage P6 à laquelle l'eau est à une température suffisamment basse pour permettre le bon fonctionnement de l'installation 1. Dans l'exemple illustré, la profondeur P6 est d'environ 900 m et, le diamètre intérieur de la conduite profonde 3 est de 400 mm. Chaque conduite profonde 3 est libre, c'est-à-dire qu'elle n'est 25 pas ancrée sur le fond marin ; son extrémité 6 est maintenue à la profondeur de puisage P6 par un câble 12 tendu entre un lest 13, reposant sur le fond marin et une bouée 14. Chaque conduite d'atterrage 4 est disposée à l'aval de la pompe 2 pour amener 30 l'eau depuis une sortie 8 de la pompe jusqu'à une entrée 9 d'un échangeur thermique 11 prévu pour la climatisation du bâtiment 5. Dans l'exemple illustré, le diamètre de la conduite d'atterrage 4 est de 250 mm. La pompe étant disposée à 20 m sous le niveau N de l'eau, la pression absolue est d'environ 3 bars, au moins, contre 1 bar en surface. Si l'on considère, qu'en deçà de 0,3 bar de pression absolue il y a risque de cavitation, on peut donc aspirer avec une dépression de 2,7 bars, sans risque de cavitation, de sorte que l'on peut aussi réduire le diamètre de la conduite profonde. Typiquement, dans une installation de l'art antérieur dont la pompe n'aurait pas été immergée, équivalente à celle illustrée à la figure 1, une conduite de puisage aurait fait 500 ou 600 mm de diamètre intérieur; dans l'exemple illustré, la conduite profonde 3 a un diamètre intérieur de 400 mm seulement. En outre, malgré ce diamètre réduit, du fait de la plus grande dépression, la vitesse de l'eau dans la conduite est sensiblement triplée, soit un débit sensiblement double. De plus, les dimensions de la conduite étant réduites, elle permet de réduire le prix d'achat des tubes la constituant, mais aussi son poids et donc les moyens pour sa mise en oeuvre. L'eau dans la conduite d'atterrage 4 y étant pulsée par la pompe 2, il n'y a pas 20 de risque de cavitation. De ce fait, la principale contrainte quant à la réalisation de la conduite d'atterrage 4 est la résistance de la conduite à la pression de l'eau qu'elle contient, généralement 10 ou 16 bars pour un tube en PHED classique. Néanmoins, pour assurer le même débit que celui de la conduite profonde 3, on peut utiliser une section sensiblement divisée par 25 trois ; typiquement, dans l'exemple illustré, le diamètre intérieur de la conduite d'atterrage 4 est d'environ 250 mm. Le relativement faible diamètre de la conduite d' affenage 4 permet de la réaliser, au moins en partie, à l'aide d'une technique de forage dirigé. Cette 30 technique permet de s'affranchir de nombreuses contraintes ; notamment, les contraintes naturelles, telles la houle ou les vagues déferlantes, ou, les contraintes administratives, telles les contraintes environnementales ou les cousages du littoral. En outre, la conduite d' atterrage 4 pouvant être enterrée sur une majeure partie, elle est protégée des échanges thermiques avec les eaux de surface plus chaudes. In the example illustrated, the depths P are measured relative to a level N of the lowest seas. Pump 2 is immersed and anchored to the ground at a depth P2. Preferably P2 is between twenty and fifty meters; in the example shown, P2 is equal to twenty meters. Each deep pipe 3 is disposed upstream of the pump to bring the water from a deep end 6 of said pipe to a pump inlet 7. The deep end 6 is disposed at a drawing depth P6. which water is at a sufficiently low temperature to allow the proper operation of the installation 1. In the example shown, the depth P6 is about 900 m and the inside diameter of the deep pipe 3 is 400 mm . Each deep pipe 3 is free, i.e., it is not anchored to the seabed; its end 6 is maintained at the drawing depth P6 by a cable 12 stretched between a ballast 13, resting on the seabed and a buoy 14. Each landing pipe 4 is disposed downstream of the pump 2 to bring 30 water from an outlet 8 of the pump to an inlet 9 of a heat exchanger 11 provided for the air conditioning of the building 5. In the example illustrated, the diameter of the landing pipe 4 is 250 mm. Since the pump is placed 20 m below the N level of the water, the absolute pressure is at least 3 bars, compared with 1 bar at the surface. If we consider that below 0.3 bar absolute pressure there is a risk of cavitation, we can suck with a depression of 2.7 bar, without risk of cavitation, so that we can also reduce the diameter of the deep pipe. Typically, in a prior art installation whose pump would not have been submerged, equivalent to that illustrated in FIG. 1, a draw pipe would have been 500 or 600 mm inside diameter; in the illustrated example, the deep pipe 3 has an inside diameter of only 400 mm. In addition, despite this reduced diameter, because of the greater depression, the speed of the water in the pipe is substantially tripled, a substantially double flow. In addition, the dimensions of the pipe being reduced, it reduces the purchase price of the tube constituting it, but also its weight and therefore the means for its implementation. Since the water in the landing line 4 is pulsed by the pump 2, there is no risk of cavitation. As a result, the main constraint on the realization of landing line 4 is the resistance of the pipe to the pressure of the water it contains, generally 10 or 16 bar for a conventional PHED tube. Nevertheless, to ensure the same flow rate as that of the deep pipe 3, it is possible to use a section substantially divided by three; typically, in the illustrated example, the inside diameter of the landing pipe 4 is about 250 mm. The relatively small diameter of the casing pipe 4 makes it possible to achieve it, at least in part, by means of a directional drilling technique. This technique makes it possible to overcome many constraints; in particular, natural constraints, such as waves or breaking waves, or administrative constraints, such as environmental constraints or coastal shorelines. In addition, the landing pipe 4 can be buried on a major part, it is protected from heat exchange with warmer surface water.

L'eau, une fois utilisée, notamment une fois passée dans l'échangeur 11, est avantageusement rejetée directement en mer (ou dans un lac, le cas échéant) d'où elle provient. Dans l'exemple illustré, l'eau est rejetée à l'aide d'une conduite de rejet 16, en partie enterrée dans un forage ; le rejet se fait suffisamment loin et suffisamment profondément en mer pour ne pas trop perturber l'écosystème, la température de l'eau rejetée pouvant être à une température différente de l'eau dans laquelle elle est rejetée. A titre d'exemple complémentaire, dans une installation en milieu tropical, 15 appelée à produire 5 MW froid, comprenant un captage à environ 800 in de profondeur, la conduite profonde a un diamètre voisin de 400 mm et la conduite d'atterrage a un diamètre voisin de 250 mm. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 20 décrits. Ainsi, en Méditerranée, la couche thermocline, qui sépare les eaux chaudes de surface d'avec les eaux froides dites profondes, est à une profondeur bien moindre que dans les océans. Ainsi, la profondeur de pompage peut être 25 réduite à cent mètres au lieu des huit cents ou neuf cents mètres des exemples ci-dessus. Le nombre de conduites profondes ou d'atterrage peuvent être, les unes indépendamment des autres, d'un nombre différent de deux. 30 - 7 - En outre, le niveau des eaux N, que l'on peut appeler niveau des plus basses eaux normales, doit être compris comme celui des plus basses eaux normalement constatées ; par exemple, dans le cas d'eau de mer, être le niveau d'une marée basse de coefficient 120, ou, dans le cas d'un lac, le niveau d'étiage connu, en dehors, par exemple, des vidanges ou sècheresses exceptionnelles, notamment s'il s'agit d'un lac de barrage. The water, once used, in particular once passed through the exchanger 11, is advantageously discharged directly at sea (or into a lake, if any) from which it originates. In the illustrated example, the water is discharged using a discharge pipe 16, partially buried in a borehole; the discharge is sufficiently far and deep enough at sea not to disturb the ecosystem too much, since the temperature of the discharged water may be at a temperature different from the water in which it is discharged. As a further example, in a plant in a tropical environment, to produce 5 MW cold, including a capture at about 800 in depth, the deep pipe has a diameter of about 400 mm and the landing pipe has a diameter around 250 mm. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described. In the Mediterranean, for example, the thermocline layer, which separates warm surface waters from so-called deep cold waters, is at a much lower depth than in the oceans. Thus, the pumping depth can be reduced to one hundred meters instead of the eight hundred or nine hundred meters of the above examples. The number of deep pipes or landing can be, independently of each other, a different number of two. 30 - 7 - In addition, the level of N waters, which may be called the level of the lowest normal waters, must be understood as that of the lowest waters normally observed; for example, in the case of seawater, be the level of a low tide with a coefficient of 120, or, in the case of a lake, the known low level of water, apart, for example, from oil changes or exceptional drought, especially if it is a dam lake.

Claims

REVENDICATIONS1. Air conditioning method using deep water, characterized in that it comprises the supply of: a submerged pump (2); at least one deep pipe (3), connected upstream (7) of the pump and arranged to bring water from a desired depth (P6) to the pump; and, at least one landing line (4), connected to the downstream (8) of the pump and arranged to bring the water from the pump (2).

2. Method according to claim 1, characterized in that the pump is immersed at a depth (P2) between 20 and 40 meters below the level (N) of the lowest normal waters.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the affenage pipe is made, at least in part, by a directional drilling technique.

4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the landing pipe has a section between half and a quarter of the section of the deep pipe, preferably about one third.

5. Air conditioning installation (1) using deep water, characterized in that it comprises: a submerged pump (2); at least one deep pipe (3), connected upstream (7) of the pump and arranged to bring water from a desired depth (P6) to the pump; and - at least one affenage pipe (4), connected to the downstream (8) of the pump and arranged to bring the water from the pump.

6. Installation according to claim 5, characterized in that the pump (2) is disposed at a depth (P2) between 20 and 40 meters below the level (N) of the lowest normal waters.

7. Installation according to claim 5 or 6, characterized in that the affenage pipe has a section between half and one third of the section of the deep pipe, preferably the deep pipe has a diameter of about 400 mm and the landing line has a diameter of about 250 mm.