FR3008452A1 - Dispositif permettant la detente diphasique d'un important debit saturant - Google Patents

Abstract

Dispositif permettant la détente diphasique d'un important débit saturant L'invention concerne un dispositif permettant la détente diphasique avec une bonne efficacité d'un débit saturant d'un fluide chaud à faible densité de vapeur. Il comprend une multitude de buses diphasiques prolongées ou non d'un conduit de détente et permet de maximaliser l'énergie cinétique transmise lors de la détente aux gouttelettes liquides dispersées dans la vapeur.. Le dispositif selon l'invention est particulièrement adapté à être intégré dans un dispositif de production d'énergie comme une turbine Hero ou utilisant le procédé mistlift. Il s'applique tout particulièrement à la conversion de l'énergie thermique des mers.

Description

La présente invention concerne un dispositif permettant la détente diphasique avec une bonne efficacité d'un important débit saturant d'un liquide chaud à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement du dispositif. Elle s 'applique tout particulièrement à la Conversion d'énergie thermique en énergie mécanique entre une source chaude et une source froide à faible différence de températures et plus particulièrement à l'énergie thermique des mers (ETM). La conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique entre une source chaude à température modérée et une source froide avec une faible différence de température est depuis longtemps un enjeu important. De telles configurations sont particulièrement nombreuses et on peut citer à titre d'exemple : - la géothermie de faible température - les rejets industriels de chaleur à faible température - l'énergie thermique des mers ( ETM ) soit la différence de température entre les couches de surface et les couches profondes des océans qui atteint prés de 20°C dans les zones inter tropicales.

De nombreux dispositifs de conversion de cette énergie thermique en énergie mécanique ont été proposés mais les applications industrielles sont encore peu nombreuses compte tenu des points suivants : - Les différences de température très faibles entre la source chaude et la source froide impliquent un taux maximal théorique de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique très faible ( de l'ordre de 7% pour l'ETM) - L'efficacité des dispositifs proposés reste très limitée ce qui réduit encore ce taux de conversion. - En conséquence les volumes de fluide à traiter sont extrêmement importants nécessitant des dispositifs d'échange de chaleur très grands. - Les contraintes liées à l'environnement marin dans le cas de l'ETM. On peut diviser les solutions proposées dans l'art antérieur ainsi : - les solutions qui font appel à un cycle de Rankine organique c'est à dire dans lequel le fluide chaud provenant de la source chaude cède sa chaleur à un fluide de travail à travers un échangeur pour le vaporiser. Le fluide de travail se détend à travers une turbine en fournissant un travail mécanique et est ensuite condensé dans un condenseur en échangeant avec le fluide froid de la source froide pour être finalement mis sous pression par une pompe. Ce cycle dit fermé présente l'avantage de permettre l'utilisation d'un fluide de travail présentant des densités volumiques de vapeur importantes aux températures considérées et donc des turbines de dimensions raisonnables. Il présente cependant des inconvénients majeurs notamment la dimension très importante des échangeurs de chaleur entre les sources chaudes et froides et le fluide de travail pour pouvoir traiter des débits très importants avec un pincement de température minimum. Les risques de biofouling de ces échangeurs dans le cas de l'ETM sont très sensibles et la nécessité d'utiliser des fluides de travail comme l'ammoniaque présente également de réels impacts pour l'environnement. - Les solutions dans lesquelles le fluide chaud ( en général de l'eau) est vaporisé en partie grâce à sa propre chaleur spécifique ( vaporisation flash), sa vapeur détendue dans une turbine où elle fournit un travail mécanique, la vapeur étant par la suite condensée grâce à l'échange thermique ( le plus souvent direct ) avec le fluide de la source froide ( en général de l'eau). Cette solution dite cycle ouvert présente l'avantage d'éviter d'avoir recours à des échangeurs de chaleur surdimensionnés entre 2 fluides différents. Elle présente cependant des limitations majeures notamment dans le cas de l'ETM. En effet, dans ce cas, la température de la source chaude ( environ 28°C) correspond à des pressions de vapeur extrêmement faibles de l'ordre de 3 centième de bars. A cette pression, la masse volumique de la vapeur est très faible et il est donc nécessaire de faire passer à travers la turbine un débit volumique extrêmement important ce qui implique à la fois des diamètres de rotor très élevés et des vitesses périphériques élevées. Les forces centrifuges sur les éléments de la turbine deviennent alors trop importantes pour des puissances à partir de quelques MW. De plus l'inertie de la turbine devient également très importante ce qui peut générer des problèmes de couplage au réseau électrique. Ce cycle ouvert est donc de moins en moins envisagé pour des puissances supérieurs à quelques MW. - On peut également citer les nombreux dispositifs utilisant des turbines dites diphasiques. A l'intérieur de cette catégorie, on peut distinguer : 1. les solutions dans lesquelles le fluide est introduit sous forme liquide, détendu pour former une phase vapeur et une phase liquide, les 2 phases étant ensuite séparées au moyen d'un séparateur et chacune détendues dans des dispositifs séparés adaptés à chaque phase. Ces solutions présentent une grande complexité et des efficacités médiocres 2. les solutions dans lesquels le fluide est détendu à travers un ajutage, se vaporisant en partie en sortie de l'ajutage, l'ensemble liquide et vapeur se détendant ensuite à travers une tuyère adaptée. Compte tenu de la présence d'une phase liquide très importante, toute détente dans une turbine présentant des changement de direction du fluide est proscrite sous peine d'altérer rapidement les pales. Il reste la solution de la turbine à réaction typa Hero à un seul étage. Dans ce type de turbine, il est nécessaire pour conserver une bonne efficacité que la vitesse absolue du fluide en sortie de détente soit la plus faible possible. Or, le fluide éjecté est pour plus de 95% en masse sous forme liquide alors que la masse de la partie vapeur reste très faible. Cependant, c'est la vapeur qui transforme son enthalpie en énergie cinétique lors de la détente. Les 2 phases qui sont peu couplées mécaniquement dans les dispositifs proposés auront donc des vitesses très différentes en sortie de détente incompatibles avec une bonne efficacité de la turbine. A ce jour, aucun dispositif de ce type n'a prouvé son efficacité, et aucun dispositif n'a été conçu spécifiquement pour le domaine des faibles. températures de source chaude, le fluide étant de l'eau, compte tenu de sa densité de vapeur très faible. - Des solutions dans lesquelles l'eau chaude est vaporisée flash, sa vapeur détendue dans un divergent vertical où elle communique une partie de son énergie à de l'eau liquide de façon à élever cette eau dans le dispositif en luttant contre la gravité. Ces solutions permettent d'éviter les échangeurs de chaleur des cycles fermés et les turbines surdimensionnés des cycles ouverts mentionnés ci dessus. Les solutions proposées sont : 1. sous forme de bulles, brevet US 3967449 dans lequel des bulles de vapeur sont produites dans la phase liquide de façon à diminuer la densité de l'ensemble. Ce dispositif présente de grandes difficultés à maintenir les conditions de pression nécessaires à la formation de bulles dans la phase liquide. 2. sous forme de mousse, brevet US 4249383 dans lequel une mousse composée de vapeur, d'eau chaude et d'un agent moussant est formée et élevée par la vapeur. La nécessité d'utiliser un agent moussant et la difficulté a conserver la stabilité de la mousse semblent rédhibitoires. 3. sous forme de gouttes brevet US 4216657, brevet US 4441321 ( inventeur Stuart L Ridgway ), demande de brevet US 20130031903 et demande de brevet d' invention 13 01221 dans lequel des micro gouttes sont élevées par leur propre vapeur dans une enceinte verticale ( mistlift ). L'énergie est récupérée par simple turbinage hydraulique de la phase liquide avant élévation. Le terme « mistlift » désignera dans la suite du texte le procédé par lequel des gouttes de fluide chaud sont élevées contre la gravité par leur propre vapeur sous l'effet de la différence de pression de vapeur entre la partie inférieure chaude et la partie supérieure froide du dispositif. Bien que simple, le dispositif proposé présente un certain nombre d'inconvénients : - nécessité d'une section de passage de la vapeur très grande compte tenu de la très faible masse volumique de la vapeur et de sa vitesse initiale nécessairement limitée associée à une hauteur très importante. A titre d'exemple un tel dispositif de 4 MW pour l'ETM ferait 20m de diamètre pour prés de 100m de haut impliquant des difficultés de réalisation, d'opération et de coût considérables. - Importantes pertes énergétiques par collision des micro gouttelettes avec les parois ou entre elles compte tenu de la distance verticale très grande à parcourir. - Générateur de brouillard proposé peu efficace avec une perte importante d'énergie pendant le flash initial et un couplage peu efficace vapeur gouttelettes pendant la phase d'accélération, associé à des pertes de charge importantes, l'ensemble de ces facteurs entraînant une efficacité globale du dispositif très limitée. - Difficultés à récupérer l'énergie des gouttes accélérées dans un dispositif de conversion efficace. Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une réponse aux difficultés liées au dispositifs qui ont été proposés dans l'art antérieur en proposant une solution adaptée à une détente diphasique efficace d'un fluide à faible température dans lequel la phase dispersée est constituée de gouttelettes de très petites dimensions (de diamètre depuis une dizaine de microns à quelques millimètres ) et la phase continue de sa propre vapeur, le fluide présentant de très faible densité de vapeur à la température considérée ( par exemple de l'eau à 28°C). Il permet d'obtenir un bon couplage mécanique entre la vapeur et les gouttelettes et d'accélérer les gouttelettés avec une bonne efficacité en limitant les pertes de charge de l'écoulement. Le dispositif peut s'intégrer dans un dispositif de conversion d'énergie utilisant le procédé mistlift ou dans une machine tournante utilisant la réaction due au jet diphasique. Dans le texte, brouillard désigne un amas de gouttelettes ( plusieurs millions voir milliards par m3) dispersées dans la vapeur générée par leur propre évaporation partielle. Le dispositif selon la présente invention est apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique provenant de la détente d'un important débit saturant d'un liquide chaud à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement du dispositif. il comprend au moins : - un distributeur permettant de distribuer le liquide chaud en provenance de la source chaude à une multitude de buses de détente - une plaque de support permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses de détente et l'étanchéité entre les buses. - Une multitude de buses de détente diphasiques cote à cote à axes sensiblement parallèles, chaque buse comprenant au moins un convergent, un col et un tube et les buses étant disposées pour recevoir chacune une partie du débit provenant de la source chaude . Les buses peuvent être partie intégrante de la ou des plaques de support par exemple usinées ou moulées ou constituer des pièces rapportées à la ou aux plaques de support.

Chacune des buses de détente diphasiques peur comporter un élément mélangeur en aval du col. La totalité de la détente du débit saturant peut être réalisé dans chacune des buses diphasiques ou seulement une partie de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses diphasiques, le reste de la détente étant réalisé dans un conduit commun prolongeant l'ensemble des buses. Il est préférable que l'espace entre les buses en sortie de buse soit minimalisé au moyen d'une géométrie adaptée, notamment la forme de sortie des buses. Dans le cas ou la totalité de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses diphasiques, tout ou partie du liquide froid en provenance de la source froide et destiné à condenser la vapeur produite est sprayé depuis l'espace disponible entre les buses en sortie de buses avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant des buses diphasiques. Dans le cas contraire, le dispositif peut comporter des éléments prolongateurs à section variable en sortie de buses permettant d'assurer une continuité de la variation de section de l'écoulement diphasique depuis la sortie des buses diphasiques jusqu'à la sortie du conduit prolongeant les buses diphasiques. Tout ou partie du liquide froid en provenance de la source froide et destiné à condenser la vapeur produite peut alors être sprayé depuis les éléments prolongateurs avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant du conduit prolongeant les buses diphasiques.

Une Turbine Hero peut comporter au moins un dispositif selon la présente invention à l'extrémité d'au moins un de ses bras. Les installations utilisant le procédé mistlift peuvent comporter au moins un dispositif selon l'invention pour produire et accélérer les gouttelettes de liquide chaud. Le dispositif selon l'invention peut etre utilisé dans le cadre de l'ETM, la source chaude étant l'eau chaude en surface de l'océan et la source froide l'eau froide en profondeur de l'océan. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant le dispositif mistlift tel que présenté dans le brevet US 4441321 La figure 2 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant un procédé mistlift tel que présenté dans la demande de brevet d'invention 13 01221 La figure 3 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une turbine type Hero chaque bras portant un accélérateur de brouillard tel que présenté dans la demande de brevet d'invention 13 01389 La figure 4 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une vue détaillée de l'extrémité du bras de la turbine Hero représentée en figure 3 La figure 5 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une vue en coupe verticale de la partie générateur de brouillard des dispositifs représenté en figures précédentes La figure 6 représente parmi l'art antérieur un schéma de principe d'une buse de détente diphasique La figure 7 représente parmi l'art antérieur un schéma de principe d'une buse de détente diphasique comportant un élément mélangeur tel que présenté dans le brevet FR 09 52611 La figure 8 représente un mode de réalisation du dispositif de la présente invention, la totalité de la détente étant réalisée dans une multitude de buses diphasiques La figure 9 représente un mode de réalisation du dispositif de la présente invention, une partie de la détente étant réalisée dans une multitude de buses diphasiques et l'autre partie dans un conduit adapté. La figure 10 représente un mode de réalisation du dispositif de la présente invention, l'espace entre buses en sortie de buses étant minimalisé.

La figure 11 représente un mode de réalisation du dispositif de la présente invention, des éléments prolongateurs étant insérés dans le conduit prolongeant les buses. Afin de faciliter la compréhension de la demande, les dispositifs représentés et décrits dans les différentes figures sont adaptés pour l'ETM, à savoir que le liquide chaud désigné par eau chaude est ici de l'eau de mer extraite en surface à une température pouvant varier en général entre 22 et 30°C et le liquide froid désigné par eau froide de l'eau de mer extraite des profondeurs ( en général entre 500 et 1500m de profondeur) et à une température environ entre 5 et 10°C, conditions que l'on trouve dans les océans des zones intertropicales. Les dispositifs décrits pourraient bien sur fonctionner dans un autre contexte que l'ETM avec des fluides chaud et froid différents de l'eau de mer ( par exemple avec la géothermie et de l'eau chaude provenant du sous sol et de l'eau froide provenant d'une rivière, ou avec de la récupération de chaleur industrielle) ou à des températures sensiblement différentes de celles indiquées ci dessus à la condition d'adaptations sur le dispositif évidentes pour un spécialiste. La présente demande d'invention comprend ces autres utilisations et/ou autres fluides. La figure 1 représente le procédé mistlift décrit dans le brevet US 4441321 L'eau chaude (45) prise en surface (49) de l'océan est éjectée avec une vitesse verticale ascendante par un générateur de brouillard (41) permettant de produire une multitude de micro gouttelettes (43) dans une enceinte (46) ou un vide poussé est maintenu. Les gouttelettes sous l'effet du vide se vaporisent partiellement (vaporisation flash). La vapeur est alors détendue dans un divergent vertical ou elle communique une partie de son énergie aux gouttelettes d'eau en les élevant contre la gravité dans une zone d'accélération (40) De l'eau froide pompée des profondeurs est injectée le long des parois à mi hauteur de l'enceinte (48) sous forme de spray (44) avec une vitesse ascendante initiale. Ce spray est lui même entraîné par l'ensemble gouttelettes d'eau chaude et vapeur vers le haut. C..?. spray d'eau froide permet de condenser graduellement la vapeur dans la partie haute de l'enceinte. L'ensemble spray d'eau froide, gouttelettes d'eau chaude et vapeur restante converge au sommet de l'enceinte pour former un jet liquide. La partie liquide est rejetée dans l'océan. Une pompe à vide (47) permet d'évacuer les non condensables de l'enceinte.

L'énergie du dispositif est récupérée au moyen d'une turbine hydraulique (42) insérée dans le canal d'amenée de l'eau chaude. Bien que simple, ce dispositif présente l'inconvénient de nécessiter des sections de passage de la vapeur très grandes ( compte tenu de la très faible masse volumique de la vapeur et de.sa vitesse initiale nécessairement limitée, la pression en amont du générateur de brouillard étant diminuée par la perte de charge due à la turbine hydraulique) associés à des hauteurs très importantes. A titre d'exemple un tel dispositif de 4 MW pour l'ETM ferait 20m de diamètre pour prés de 100m de haut. L'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération constitue un des éléments clefs du dispositif, car il s'agit de transformer l'énergie thermique contenue dans l'eau en énergie cinétique pour la vapeur ( par détente), elle même communiquée en grande partie aux gouttelettes par la vapeur. Des expériences sur une hauteur limitée à 4 m ont été réalisées pour valider le concept par Stuart L Ridgway et une analyse détaillée des résultats obtenus ne permet pas de valider le concept, seul les pertes de charge de la vapeur le long de son parcours ayant été mesurées et l'hypothèse ayant été faite que cette perte de charge correspondait à l'énergie transféré aux gouttelettes sous forme d'énergie cinétique vers le haut. D'autres expériences menées par une équipe japonaise ne valident également pas le concept les auteurs s'étant attachés à l'analyse de l'évolution des diamètres des gouttelettes. Une simulation purement théorique du concept indique des pertes de charge extrêmement élevées dans l'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération. Le dispositif selon l'invention constitue un nouveau concept de l'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération et permettra d'en améliorer l'efficacité. Pour revenir à la figure lune fois passée la zone d'accélération, les gouttelettes devront parcourir une longue distance dans l'enceinte avec une très forte probabilité de collision entre gouttes ou avec les parois. En effet, bien qu'homogène au départ, les dimensions et les vitesses des gouttes deviennent de plus en plus hétérogènes au fur et à mesure des collisions et des phénomènes de coalescence, entraînant des vitesses de gouttelettes différentes. Chaque collision constitue une perte d'énergie pour le dispositif. Il semble donc qu'une perte importante se fera à travers ces collisions. Les gouttes les plus grosses ne seront pas ou peu entraînées par la vapeur et risquent de retomber dans l'enceinte. La convergence des gouttelettes pour former un jet unique ne pourra se faire sans une importante perte d'énergie. De plus, la surface de contact entre spray d'eau froide et vapeur doit être très importante nécessitant une fine atomisation du spray d'eau froide pour obtenir les échanges thermiques nécessaires à une condensation totale de la vapeur par l'eau froide. Dans ces conditions, les collisions des gouttelettes composant le spray d'eau froide et des gouttelettes d'eau chaude se transformant ensuite en un jet liquide unique devrait consommer beaucoup d'énergie ( collisions successives). Il est également important de citer les problèmes de stabilité du spray d'eau froide. Il s'agit en effet d'un spray libre, ne s'appuyant et n'étant guidé contre l'effet de la gravité par aucune paroi. Il aura donc nécessairement tendance à s'éloigner de la paroi du dispositif sous l'effet de la gravité.

La figure 2 représente, parmi l'art antérieur, une variante du procédé mistlift dans laquelle la transmission de l'énergie cinétique des gouttelettes d'eau chaude (51) se fait par incorporation dans une nappe liquide (52) coulant sur une paroi (55), permettant de réduire la hauteur du dispositif au dessus de la zone d'accélération (50) et d'améliorer la transition depuis des gouttelettes dispersées (51) à un jet liquide monophasique (52) pouvant être turbiné (53). Cependant, le dispositif proposé pour le générateur de brouillard (54) et la zone d'accélération des gouttelettes (50) reste identique à celui proposé par Stuart L Ridgway. La figure 3 représente, parmi l'art antérieur, une turbine Hero à 4 bras spécifique à un fluide présentant une très faible densité de vapeur aux températures de détente considérées. Chaque bras (1) permet d'alimenter en eau chaude à son extrémité un ensemble générateur de brouillard (6) et zone d'accélération (7). La encore, le dispositif proposé pour le générateur de brouillard et la zone d'accélération est le même que celui proposé par Stuart L Ridgway pour le procédé mistlift. La figure 4 représente, parmi l'art antérieur, une vue détaillée de l'extrémité du bras (1) de la turbine Hero de la figure 3. l'eau chaude sous pression alimente le récepteur (5) et passe ensuite à travers le générateur de brouillard (6). Le fluide diphasique est ensuite accéléré dans la tuyère (7). Le jet sortant propulse par réaction l'ensemble tournant. La figure 5 représente, parmi l'art antérieur, une vue en coupe partielle détaillée du générateur de brouillard proposé dans les concepts mistlift ou turbine Hero décrits précédemment. Le générateur de brouillard proposé dans l'art antérieur doit permettre de composer avec les contraintes spécifiques à l'ETM à savoir des quantités d'eau chaude considérables et des densités de vapeur extrêmement faibles. A titre d'exemple, une centrale ETM de 10 MW doit traiter un débit d'eau chaude d'environ 20m3/s . Chaque m3 d'eau chaude va produire 240 milliards de gouttelettes (27) de 200 microns de diamètre et générer 930m3 de vapeur en fin de détente. Le générateur de brouillard consiste en une plaque (20) percée d'une multitude ( plusieurs millions) de trous d'injection (21) de forme convergente dans lesquels l'eau est accélérée sous l'effet de la pression. A titre d'exemple, les trous de 100 microns de diamètre sont espacés de 2mm soit 250 000 trous par m2, une centrale de 10MW nécessitant une surface de plaque de 350 m2. Un jet (22) se forme à la sortie de la plaque, d'un diamètre sensiblement égal au diamètre de sortie du trou. A la sortie du trou, ce jet est brutalement dépressurisé à une pression inférieure à sa pression de vaporisation. Il y a donc très brutalement création initiale de vapeur ( moins de 1% en masse) et le jet se fractionne en gouttelettes de diamètre sensiblement égal au double du diamètre du jet, l'énergie thermique nécessaire à la vaporisation étant fournie par la chaleur sensible de l'eau ( vaporisation flash). La création initiale de la vapeur se fait perpendiculairement au jet suivant les flèches (23) , de façon a remplir le volume disponible entre les trous avec la vapeur. Au mieux, cette phase de création de vapeur ne fournit aucun travail utile sur les gouttes les entraînant dans une direction perpendiculaire à celle du jet souhaitée. Les expériences réalisées montrent plutôt un ralentissement dans le sens du jet de la vitesse initiale des gouttelettes dans cette phase, la création brutale de vapeur entraînant une grande turbulence dans cette zone. Cette énergie est donc perdue pour le dispositif. Il est donc nécessaire de limiter cette création de vapeur' initiale à une partie de l'énergie thermique disponible dans les gouttes. La vapeur est ensuite entraînée flèche (24) , sous l'effet de la différence de pression entre la zone d'injection chaude et une zone maintenue froide grâce à l'eau de la source froide, dans une zone d'accélération (25) formée d'une tuyère divergente (26) ou elle se détend et transforme l'enthalpie restante en énergie cinétique.

Dans cette tuyère, les gouttelettes continuent à se refroidir et à produire de la vapeur. L'énergie cinétique de la vapeur y est transmise en partie aux gouttelettes sous l'effet des forces de frottement entre vapeur et gouttelettes qui sont accélérés. Une analyse approfondie des résultats obtenus par différentes expérimentations de ce type de dispositif appliqué à l'énergie thermique des mers fait apparaître un rendement global du dispositif très faible. Plusieurs raisons sont en cause : 1. le jet passe brutalement de la sortie du trou d'injection à une zone (27) ou l'expansion de la vapeur se fait perpendiculairement à la vitesse du jet ( la section passe brusquement de la section du trou à une section 500 fois plus grande). Non seulement cette expansion de vapeur ne transmet pas de l'énergie cinétique aux gouttelettes dans la direction souhaitée mais elle fractionne le jet en une multitude de gouttelettes entraînée perpendiculairement au jet. La vitesse de ces gouttelettes et de la vapeur après cette phase de création de vapeur n'est plus dans la direction de l'écoulement et il y a eu perte d'une bonne partie de l'énergie cinétique initiale du jet. 2. Cette création de vapeur flash étant très brutale, il est très difficile de la maîtriser et il semble que une bonne partie de l'énergie disponible est perdue dans cette phase 3. La vapeur est ensuite entraînée dans un divergent ou elle est détendue. Dans cette phase, les gouttelettes sont animées d'une vitesse initiale anarchique en direction et en intensité. Il y a donc des le départ de multiples collisions entre gouttelettes. ces collisions entraîne des pertes d'énergie importantes. Sous l'effet de ces collisions, les gouttelettes coalescent et se fractionnent. Les expérimentations montrent que le diamètre moyen d'équilibre des gouttes se situe à environ 500 microns dans les conditions de l'ETM. Hors, la puissance transmise entre la vapeur et les gouttelettes est directement proportionnelle à la force de traînée des gouttelettes dans la vapeur. Cette force de traînée est elle même proportionnelle à la section de la gouttelette soit au carré de son diamètre et à la vitesse de glissement vapeur gouttelettes. Cette vitesse de glissement doit être limitée, l'énergie cinétique correspondante pour la vapeur étant perdue au final. L'accélération qui peut être communiquée aux gouttelettes par la vapeur est proportionnelle à la traînée divisée par la masse de la gouttelette. La masse de la gouttelette est elle même proportionnelle au cube du diamètre. Donc au final, l'accélération possible de la gouttelette est inversement proportionnelle au diamètre de la gouttelette. Pour un diamètre de 500 microns et une vitesse de glissement de 20m/s, l'accélération possible est seulement de 18m/s2 nécessitant une distance d'accélération d'au moins 46 m. Des gouttelettes de 100 microns permettraient une accélération et une distance respectivement de 80m/s2 et de 10m alors que des gouttelettes de 10 microns respectivement de 890m/s2 et de 0.9m. 4. les pertes de charge de l'écoulement diphasique vapeur / gouttelettes dans la partie d'accélération sont très importantes, comparées à la différence de pression disponible. Il est donc indispensable de réduire la longueur de la zone d'accélération le plus possible. Comme il a été vu précédemment, la solution est de réduire la taille des gouttelettes. Hors les gouttelettes tendent rapidement vers un diamètre d'équilibre important ( 500 microns) et le diamètre initial est lui même fixé par le diamètre du jet qu'il est difficile de réduire en dessous de 100 microns comte tenu des risques de bouchage des trous d'injection (avec un fluide comme l'eau de mer et des risques de biosalissure) et compte tenu des pertes de charge occasionnées par les trous d'injection eux mêmes. Il apparaît donc que le dispositif de générateur de brouillard constitué d'une plaque percée d'une multitude de trous associé à une zone d'accélération proposé dans l'art antérieur présentent de sérieuses contraintes qui vont limiter drastiquement les rendements des dispositifs.

La figure 6 représente, parmi l'art antérieur, une buse de détente pour fluide diphasique. Une buse comporte un convergent (10), un col (11) et un tube (12) . Le fluide à l'état liquide est tout d'abord accéléré dans le convergent jusqu'au col. A la sortie du col, de la vapeur est produite par flash du liquide. Cette vapeur est guidée dans le tube qui peut être divergent de demi angle (a) et le flash contrôlé par les paramètres géométriques du divergent. On obtient donc un flash contrôlé, avec une vitesse de vapeur représentée par les flèches (13) possédant une composante principale selon la direction de l'écoulement. Ces deux facteurs permettent de communiquer, avec une bonne efficacité dès le début du flash et dans le sens de l'écoulement, l'énergie cinétique de la vapeur aux gouttelettes formées par la brisure du jet en sortie du col et aux gouttelettes arrachées au jet par la vapeur.

Ce type de buse est utilisé dans les éjecteurs et il a été également proposé, dans l'art antérieur, de l'utiliser dans des machines tournantes du type turbine Hero, chaque bras portant une buse en extrémité. Le rendement de la détente du fluide diphasique reste cependant médiocre du fait que peu de gouttelettes sont arrachées du jet et que l'écoulement se divise dans la partie tube en un écoulement principalement liquide au centre et un écoulement principalement vapeur en périphérie. Afin d'améliorer le rendement de détente, il a été proposé ( brevet FR 09 52611) d'ajouter un élément mélangeur à l'aval du col. Cet élément mélangeur ( 14) représenté sur une buse en figure 7 peut être par exemple une hélice fixe ou mobile.

Cet élément mélangeur permet un mélange efficace des phases liquide et vapeur en aval du col et ainsi améliorer le couplage mécanique liquide / vapeur. On peut cependant noter que ces buses ne permettent de traiter qu'un débit liquide très limité. En effet, à pression du liquide constante, toute augmentation du débit passe par une augmentation de la section du col de la buse et donc du diamètre du jet en sortie immédiate du col. Il est clair que l'augmentation du diamètre du jet va diminuer l'efficacité de la production de vapeur lors du flash, les surfaces d'échange par kg d'eau étant diminuées, les échanges thermiques à l'intérieur du jet plus difficiles, et va également diminuer l'efficacité de la formation de micro gouttelettes lors de la brisure du jet. Toute augmentation du débit liquide implique également l'augmentation du débit de vapeur produite. Hors, dans le cas de l'ETM, la vapeur de très faible densité nécessite de très importantes sections de passage. La section de la buse en sortie du tube ( 13 ) devra donc être très importante. Hors, il est nécessaire pour limiter les pertes de charge de l'écoulement de limiter l'angle( a ) du divergent du tube( 13). Une section de sortie importante va donc nécessairement entraîner une longueur du tube très importante, source de perte de charge de l'écoulement et de difficultés de construction importantes. Pour l'exemple, une buse dont le diamètre au col serait de 0.10m permettrait l'écoulement de 0.25m3/s d'eau chaude sous une pression de 4.5 bars. Ce débit nécessiterait un diamètre en sortie de buse de 2.7m et une longueur du tube, en limitant l'angle du divergent (a) à 5°, de 15.3m. On peut également noter qu'il faudrait 80 buses de ce type pour traiter un débit de 20m3/s d'eau chaude correspondant à une puissance ETM de 10 MW.

La production d'énergie dans le cadre de l'ETM utilisant une turbine Hero dont chaque bras porte une buse en extrémité n'est donc pas possible compte tenu des débits à traiter. La figure 8 représente, dans un mode de réalisation, un schéma de principe du dispositif selon l'invention. Il s'agit d'une représentation en coupe, ou la plaque n'a été représentée que partiellement.

Une multitude de buses (60) comportant chacune au moins un convergent (10) , un col (11) et un tube divergent (12) sont disposés les une à coté des autres de façon à ce que le débit total d'eau chaude à traiter soit reparti dans chacune des buses. Dans le mode de réalisation représenté, les buses adjacentes sont usinées dans une plaque (61) qui peut être métallique ou en tout matériau résistant à la corrosion et possédant des caractéristiques mécaniques suffisantes. On peut citer pour l'exemple l'acier et le titane. L'ensemble pourrait, parmi les multiples modes de réalisation possibles, être obtenu par moulage ou tout autre procédé. Les buses pourraient également être produites séparément individuellement et rassemblées par un support adéquat. L'eau chaude représentée par la flèche ( 62) pénètre dans un récepteur ( 63) dont le rôle est de distribuer l'eau à la multitude de buses en minimisant les pertes de charge avec un écoulement à l'entrée des buses le moins turbulent possible. Des atténuateurs de turbulence peuvent être insérés dans le récepteur ( 63 ) Le débit représenté par les flèches (64) passant à travers chaque buse est donc contrôlé par le nombre de buses du dispositif. On peut donc choisir ce nombre de façon à se situer dans une plage de débit favorable au fonctionnement de chaque buse et aussi de façon à diminuer la longueur nécessaire du tube de chaque buse. Le flash initial qui correspondait dans le dispositif de plaque à trous de l'art antérieur à une importante perte d'énergie est dans le dispositif proposé dans la présente invention utilisé efficacement.

Dans un mode de réalisation, selon la figure 8, la totalité de la détente est réalisée dans chacune des buses. Le fluide diphasique en sortie des buses est donc constitué de gouttelettes liquides (65) accélérées et dispersées dans la vapeur. La détente et l'accélération des gouttelettes étant terminées en sortie des buses, ce fluide sera alors guidé vers les dispositifs aval de récupération de l'énergie cinétique des gouttelettes et de condensation de vapeur dans le cas du procédé mistlift et de condensation de vapeur et de récupération du liquide dans le cas du procédé utilisant le principe de la turbine Hero. Pour revenir à l'exemple précédent d'une centrale ETM de 10 MW nécessitant un débit d'eau chaude de 20m3/s sous une pression d'entrée de 4.5 bars et en limitant l'angle (a) du divergent à 50, il faudrait environ 800 000 buses de diamètre de col 0.001m avec un diamètre de sortie de 0.025m et une longueur de tube de 0.12m. Dans un autre mode de réalisation, selon la figure 9, la détente réalisée dans chacune des buses (60) n'est que partielle. Un conduit (70) dont la section varie de façon appropriée prolongeant l'ensemble des buses permettra de terminer la détente du fluide diphasique et de terminer la phase d'accélération des gouttelettes dans une zone d'accélération (71). Cette disposition permet à la fois de réaliser la première partie de détente dans les buses dans des conditions d'efficacité favorable et de réaliser la fin de la détente avec une perte de charge minimum en minimisant les surfaces de paroi. Une attention particulière sera portée à limiter toute variation de section brutale de la section de passage de la vapeur en sortie immédiate des buses.

Plusieurs configurations sont possibles pour ce faire et on peut citer: 1. arranger la section de sortie des buses de façon à ce qu'il n'y ait pas ou peu d'espace entre buses adjacentes. La vue de dessus partielle de la figure 10 représente une section (72) de sortie des buses quasi carrée permettant de minimiser l'espace entre buses. La section de passage de la vapeur varie donc peu en sortie immédiate des buses évitant une détente brutale source de perte de charge. 2. insérer des éléments prolongateurs (73) à section variable en sortie de buses permettant d'assurer une continuité de la variation de section. Une disposition possible de ce type d'élément est représentée en coupe et vue de dessus partielles en figure 11. Dans ce mode de réalisation, les éléments prolongateurs remplissent l'espace entre et au niveau des sorties de buses. Leur section varie ensuite progressivement. Il a été représenté sur la figure 11 un mode de réalisation dans lequel la section des éléments prolongateurs diminue progressivement, permettant une expansion de la vapeur sur la zone (74). Dans un mode de réalisation, l'eau froide nécessaire à la condensation de la vapeur produite peut être sprayée depuis ces éléments prolongateurs au moyen de canalisations d'amenée et d'injecteurs appropriés. Cette disposition permet de condenser la vapeur au plus près de la fin de la zone d'accélération des gouttelettes et donc de diminuer les pertes de charge et également d'introduire le spray d'eau froide (75) dans le flux diphasique avec une forte composante de la vitesse initiale dans le même sens que le flux diphasique pour n'obtenir qu'un seul flux.

De la même façon, lorsque la totalité de la détente est réalisée dans les buses (60), le spray d'eau froide peut être positionné sur l'espace disponible entre les sorties de buses, avec une forte composante de la vitesse initiale dans le même sens que le flux diphasique pour n'obtenir qu'un seul flux.

Le dispositif selon l'invention permet de créer un flux diphasique avec une bonne efficacité en maximisant la quantité de mouvement crée. Il s'adresse plus particulièrement à des liquides chauds à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement considérées et/ou à des cas ou les débits de liquide chaud à traiter sont très importants.

Il est particulièrement adapté pour être inséré en extrémité des bras d'une turbine hero pour la propulser par réaction ou pour remplacer le générateur de brouillard et la zone d'accélération de l'art antérieur dans les procédés mistlift. Une application préférentielle est l'Energie Thermique des Mers. 20 25

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique provenant de la détente d'un important débit saturant d'un liquide chaud à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement du dispositif caractérisé en ce qu'il comprend au moins : - un distributeur permettant de distribuer le liquide chaud en provenance de la source chaude à une multitude de buses de détente - une plaque de support permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses de détente et l'étanchéité entre les buses. - Une multitude de buses de détente diphasiques cote à cote à axes sensiblement parallèles, chaque buse comprenant au moins un convergent, un col et un tube et les buses étant disposées pour recevoir chacune une partie du débit provenant de la source chaude. Les buses peuvent être partie intégrante de la ou des plaques support par exemple usinées ou moulées dans celles ci ou constituer des pièces rapportées à la ou aux plaques support.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chacune des buses de détente diphasiques comporte un élément mélangeur en aval du col.
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la totalité de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses diphasiques.
4. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que seulement une partie de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses diphasiques, le reste de la détente étant réalisé dans un conduit commun prolongeant l'ensemble des buses.
5. 5. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'espace entre les buses en sortie de buse est minimalisé au moyen d'une géométrie de sortie de buses adaptée.
6. 6. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que tout ou partie du liquide froid en provenance de la source froide et destiné à condenser la vapeur produite est sprayé depuis l'espace disponible entre les buses en sortie de buses avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant des buses diphasiques.
7. 7. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le dispositif comporte des éléments prolongateurs à section variable en sortie de buses permettant d'assurer une continuité de la variation de section de l'écoulement diphasique depuis la sortie des buses diphasiques jusqu'à la sortie du conduit prolongeant les buses diphasiques.
8. 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que tout ou partie du liquide froid en provenance de la source froide et destiné à condenser la vapeur produite est sprayé depuis les éléments prolongateurs avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant du conduit prolongeant les buses diphasiques.
9. 9. Turbine Hero caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4, 5 ou 7 à l'extrémité d'au moins un de ses bras.
10. 10. Dispositif utilisant le procédé mistlift caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 pour produire et accélérer les gouttelettes de liquide chaud.
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source chaude est l'eau chaude provenant de la surface de l'océan et la source froide l'eau froide provenant de la profondeur de l'océan.