PT1644589E - Method and device for collecting fresh water - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIÇÃODESCRIPTION
PROCESSO E DISPOSITIVO PARA CAPTAÇÃO DE ÁGUAPROCESS AND DEVICE FOR WATER CAPTURE
DOCE A presente invenção refere-se a um processo de captação de água doce proveniente de uma fonte de água doce submarina. A presente invenção refere-se igualmente a um dispositivo de captação de água doce e a um processo de colocação no fundo do mar de um dispositivo de captação de água doce. Estas fontes de água doce constituem ressurgências de água doce submarina no fundo do mar.The present invention relates to a method of capturing fresh water from a freshwater source of water. The present invention also relates to a fresh water collection device and a process for placing a fresh water collection device in the seabed. These freshwater sources constitute resurgence of freshwater underwater in the seabed.
Conhecem-se já diferentes processos e dispositivos de captação de fontes submarinas de água doce, por exemplo, os descritos em particular no pedido de patente FR 2 701 974 ou no pedido internacional WO 00/79309 em nome do requerente.Different processes and devices for capturing freshwater underwater sources are already known, for example those described in particular in the patent application FR 2 701 974 or in the international application WO 00/79309 in the name of the applicant.
Nestes processos e dispositivos utiliza-se uma estrutura-reservatório com concavidade virada para baixo cobrindo a fonte de água doce, e na qual a água doce é retida na parte superior graças à sua densidade menor que a da água do mar. Esta estrutura é aberta na sua base para permitir a evacuação da água do mar e/ou o enchimento pela água doce.In these processes and devices a reservoir structure with downward-facing concavity covering the fresh water source is used, and in which fresh water is retained in the upper part thanks to its lower density than that of seawater. This structure is open at its base to allow the evacuation of sea water and / or filling by fresh water.
Existem várias dificuldades para concretizar um processo e um dispositivo de captação de água doce no mar satisfatórios.There are various difficulties in achieving a satisfactory process and catchment of fresh water at sea.
Em primeiro lugar, é necessário que o dispositivo de captação seja simples e fácil de instalar no fundo do mar e de realização pouco custosa. 1First of all, it is necessary that the catching device is simple and easy to install on the seabed and of low cost. 1
Em segundo lugar, o processo e o dispositivo de captação devem permitir evitar a mistura da água doce e da água do mar, de maneira que se recolha água doce pura.Secondly, the process and the catchment device must be such as to avoid mixing fresh water and sea water so that pure fresh water is collected.
Finalmente, é necessário que o processo e o dispositivo não perturbem a carga hidráulica da fonte de água doce. Sabe-se, com efeito, que uma fonte de água doce submarina percorre o seu caminho através de condutas naturais subterrâneas e que o escoamento da fonte pode ser perturbado, digamos interrompido, de forma irremediável quando uma sobre pressão hidráulica excessiva é exercida ao nivel do orificio de escoamento da fonte causando danos ou modificações nas referidas condutas naturais subterrâneas frágeis. Para cada fonte, os geólogos hidricos são capazes de determinar o valor tolerável da sobre pressão a não ultrapassar para não perturbar o escoamento da referida fonte, sobre pressão hidráulica que se situa de um modo geral entre 0 e 0,1 bar (104Pa).Finally, it is necessary that the process and the device do not disturb the hydraulic load of the fresh water source. It is known that an underwater freshwater source runs its course through natural underground pipelines and that the flow of the source can be disrupted, let's say, disrupted when an excessive overpressure is exerted at the level of the source discharge orifice causing damage or modifications to said fragile underground natural conduits. For each source, water geologists are able to determine the tolerable value of the overpressure not to exceed to not disturb the flow of said source, under hydraulic pressure which is generally between 0 and 0.1 bar (104 Pa).
Na ausência de qualquer dispositivo de captação, a pressão hidráulica, ao nivel do orificio de escoamento da fonte de água doce, está ligada à altura da porção de água situada acima do referido orificio, ou seja, à profundidade do orificio à razão de um bar por dezena de metros de profundidade. Esta porção hidráulica é independente do débito natural de escoamento da fonte.In the absence of any pickup device, the hydraulic pressure at the level of the flow hole of the fresh water source is connected to the height of the water portion located above said orifice, i.e. the depth of the orifice at the ratio of a bar by ten meters deep. This hydraulic portion is independent of the natural flow rate of the source.
Pelo contrário, na presença de um dispositivo de captação, produzem-se perdas de carga por atrito da água que se escoa no referido dispositivo. Esta perda de carga por atrito é proporcional ao valor do débito de escoamento da água no dispositivo de captação. As fontes de água doce podem conhecer variações naturais de débito, nomeadamente em caso de crescimento, podendo chegar até uma multiplicação do débito por um factor 5, digamos mesmo 10. Estas variações de débito induzem uma sobre pressão 2 hidráulica ao nivel da fonte, devido ao aumento da perda de carga ligada à passagem de água através das condutas dos dispositivos de captação conforme o caso.On the contrary, in the presence of a pick-up device, frictional losses of the water flowing in said device are produced. This friction loss is proportional to the flow rate of the water in the trap. Freshwater sources may be subject to natural flow variations, particularly in the case of growth, and up to a multiplication of the flow rate by a factor of 5, let us say 10. These flow variations induce a hydraulic overpressure at the source level due to to the increase in the pressure drop associated with the passage of water through the conduits of the pick-up devices as the case may be.
De uma maneira mais geral, na prática, é difícil reunir as duas condições de não miscibilidade da água do mar e da água doce e da ausência de sobre pressão hidráulica excessiva ao nivel da fonte, instalando um dispositivo de captação simples e barato na concretização e na instalação e que seja tecnicamente fiável, sem recorrer a energia, por exemplo, por bombada.More generally, in practice, it is difficult to meet the two conditions of non-miscibility of seawater and fresh water and the absence of excessive hydraulic overpressure at the source level by installing a simple and inexpensive capturing device in the embodiment and in the installation and which is technically reliable, without energy, for example by pump.
Os processos e os dispositivos descritos em FR 2 701 974 são especialmente adaptados à captação de água doce ao longo das costas e não podem ser utilizados para fontes situadas em pleno mar, no fundo do mar e a grande distância da costa. De qualquer modo, estes processos e dispositivos de captação não permitem evitar a mistura de água do mar salgada com a água doce quando da sua captação.The processes and devices described in FR 2 701 974 are specially adapted for the abstraction of fresh water along the coasts and can not be used for sources located in the sea, on the seabed and long distances from the coast. In any case, these processes and catchment devices do not prevent the mixing of saltwater and freshwater when it is collected.
Em WO 00/79309, são descritos diferentes processos e dispositivos de captação de água doce, nos quais se recupera a água doce num reservatório de base aberta, em forma de sino ou de chapéu, cobrindo a fonte de água doce no fundo do mar, e depois um tubo subindo desde o topo do referido reservatório até à superfície do mar.WO 00/79309 discloses different processes and devices for collecting fresh water in which fresh water is recovered in an open base, bell-shaped or hat-shaped reservoir, covering the fresh water source on the seabed, and then a tube rising from the top of said reservoir to the surface of the sea.
Numa primeira forma de realização de WO 00/79309, a base aberta no reservatório é amarada ao fundo do mar a uma certa distância do fundo, facilitando assim a instalação do dispositivo em caso de ambiente ocupado no fundo do mar, por exemplo, por rochedos ou por um relevo acidentado. Nestas condições, não se consegue no entanto na prática evitar a mistura da água do mar e da água doce no interior do reservatório. 3In a first embodiment of WO 00/79309, the open base in the reservoir is affixed to the seabed a certain distance from the bottom, thus facilitating installation of the device in the event of a seafloor environment, e.g. by boulders or by a rugged relief. Under these conditions, however, it is not possible in practice to avoid mixing the seawater and fresh water into the tank. 3
Numa segunda forma de realização de WO 00/79309, a base aberta do reservatório adapta-se ao fundo do mar de uma forma estanque, de maneira a evitar a mistura da água do mar salgada e da água doce após a fase inicial do esvaziamento do reservatório inicialmente cheio de água do mar. Nesta segunda forma de realização, são previstas válvulas contra retorno que permitem a saida de água no caso de aumento do débito de escoamento da fonte, evitando assim ocasionar uma sobre pressão hidráulica excessiva ao nivel da fonte. Todavia, na prática, os aumentos de débito são tais que se é obrigado a prever um grande número de válvulas. Ora, estas válvulas são dispositivos mecânicos relativamente frágeis, calibrados para um determinado débito e que aumentam, por outro lado, o custo do dispositivo. Estes processos e dispositivos de captação não são portanto satisfatórios tanto económica como tecnicamente. Por outro lado, o dispositivo de captação não é fácil de instalar quando o fundo do mar, na proximidade da fonte, é acidentado, uma vez que, neste caso, é dificil assegurar a impermeabilidade entre o fundo do mar e a base aberta do reservatório que apresenta um diâmetro relativamente importante.In a second embodiment of WO 00/79309, the open base of the reservoir conforms to the seabed in a watertight manner so as to avoid mixing saltwater and fresh water after the initial phase of the reservoir initially filled with sea water. In this second embodiment, non-return valves are provided which allow the outflow of water in case of increased flow rate of the source, thus avoiding excessive hydraulic overpressure at the source level. However, in practice, the rate increases are such that one has to predict a large number of valves. However, these valves are relatively fragile mechanical devices, calibrated for a given flow rate and which, on the other hand, increase the cost of the device. These processes and delivery devices are therefore not economically or technically satisfactory. On the other hand, the catchment device is not easy to install when the seabed in the vicinity of the source is bumpy, since in this case it is difficult to ensure the impermeability between the seabed and the open base of the vessel which has a relatively large diameter.
Em resumo, os processos e os dispositivos de captação de água doce submarina apresentam as lacunas e os inconvenientes seguintes: mesmo que o sistema seja completamente estanque à água salgada mas induza o aumento do escoamento de água doce em caso de crescimento (podendo o débito variar numa relação de 1 a 10 em poucas horas) um aumento da perda de carga ligada ao atrito e uma subida da pressão hidráulica da fonte pode dar origem a avarias irremediáveis na conduta natural; 4 mesmo que o sistema implique a presença de superfícies abertas ao meio ambiente salgado durante a evacuação do excedente episódico de água doce, o que dá origem a contaminações ao nível do interface água doce/água salgada; e finalmente, uma bombada, nestes sistemas anteriores, pode dar origem a variações negativas de pressão no caso de aumento do débito da fonte e, portanto, criar um fenómeno de aspiração da água salgada poluindo então a conduta a montante. 0 objecto da presente invenção é portanto fornecer processos e dispositivos de captação de água doce que sejam simples e baratos na realização e instalação, que funcionem de maneira tecnicamente fiável durante a sua vida e que acumulem as vantagens da ausência de mistura da água do mar e da água doce e da ausência de risco da sobre pressão hidráulica excessiva ao nível da fonte, de maneira a evitar o aparecimento de avarias irremediáveis na conduta natural, e que não necessitem de fornecimento de energia, nomeadamente por bombada.In summary, processes and arrangements for collecting freshwater underwater have the following gaps and drawbacks: even if the system is completely sea-salt-tight but induces increased freshwater flow in case of growth (the flow may vary in a ratio of 1 to 10 in a few hours) an increase in the friction-related pressure loss and an increase in the hydraulic pressure of the source may give rise to irremediable damage to the natural conduit; 4 even if the system involves the presence of surfaces open to the salty environment during the evacuation of the episodic freshwater surplus, which leads to contamination at the freshwater / saltwater interface level; and finally, a pumping in these prior systems can give rise to negative pressure variations in case of increase of the flow rate of the source and thus create a phenomenon of suctioning the salt water then polluting the upstream conduit. The object of the present invention is therefore to provide fresh water collection processes and devices which are simple and inexpensive in the realization and installation, operate in a technically reliable way during their lifetime and which accumulate the advantages of the absence of mixing of sea water and fresh water and the absence of risk of excessive hydraulic pressure at the source level in order to avoid the appearance of irremediable faults in the natural conduit and which do not require the supply of energy, in particular by means of a pump.
Para fazer isto, de acordo com um primeiro aspecto, a presente invenção fornece um processo de captação de água doce proveniente de uma fonte de água doce submarina no fundo do mar de acordo com a reivindicação 1.In order to do this, according to a first aspect, the present invention provides a method of collecting fresh water from a seabed underwater freshwater source according to claim 1.
Compreende-se que a extremidade superior da referida primeira conduta desemboque no interior do referido reservatório.It is understood that the upper end of said first conduit discharges into said reservoir.
Evita-se assim qualquer contacto e portanto qualquer poluição entre a água doce e a água salgada mas também se limita a sobrecarga hidráulica da fonte provocada pelo dispositivo. 5This avoids any contact and hence any pollution between fresh water and salt water but also limits the hydraulic overload of the source caused by the device. 5
Na forma de realização preferida, a água doce é recolhida na extremidade da referida segunda conduta a um débito correspondente ao débito médio da referida fonte de água doce.In the preferred embodiment, fresh water is collected at the end of said second conduit at a rate corresponding to the average flow rate of said fresh water source.
Como a seguir se explica, a referida primeira conduta ti é dimensionada e o valor de H é determinado de tal forma que pixgxH + G + Pi </= APSAs explained below, said first conduit ti is dimensioned and the value of H is determined in such a way that pixgxH + G + Pi </ = APS
Pi = densidade da água doce; G = 9,81 m/s2;Pi = density of fresh water; G = 9.81 m / s 2;
Pi = perda de carga na referida primeira conduta quando a água doce se escoa com o referido débito, nomeadamente o débito médio de escoamento da referida fonte; APS = sobre pressão hidráulica limite tolerável pela referida fonte de água doce. Trata-se de um valor conhecido ou que pode ser determinado para cada fonte, sendo APS, de um modo preferido, inferior ou igual a 104 Pa; G = ganho do impulso de Arquimedes ligado ao fenómeno da substituição do peso da coluna de água do mar pelo peso da coluna de água doce na referida primeira conduta.Pi = loss of charge in said first conduit when fresh water flows with said flow rate, namely the average flow rate of said source; APS = on limit hydraulic pressure tolerable by said fresh water source. It is a known value or can be determined for each source, APS being preferably less than or equal to 104 Pa; G = Archimedean pulse gain linked to the phenomenon of substituting the weight of the seawater column by the weight of the freshwater column in said first conduit.
Este ganho G escreve-se: G = (pi x g x Hi) - (p2 x g x Ηχ) ,This gain G is written: G = (pi x g x Hi) - (p2 x g x χ),
Hi = altura do nivel do interface água/ar no reservatório relativamente ao fundo do mar ao nivel da fonte. P2 = densidade da água do mar. A altura H e as dimensões da primeira conduta são portanto determinadas em função de APS. 6Hi = height of the level of the water / air interface in the reservoir relative to the seabed at the source level. P2 = density of seawater. The height H and the dimensions of the first duct are therefore determined as a function of APS. 6
De acordo com uma outra característica da forma de realização do processo para que o segundo tubo t2 se mantenha sempre em contacto com a água que circula na referida primeira conduta ti, o referido comprimento 1 é superior ou igual a H.According to another feature of the process embodiment for the second tube t2 to always remain in contact with the water circulating in said first conduit ti, said length 1 is greater than or equal to H.
De uma maneira geral, a sobre pressão hidráulica limite tolerada (APS) ao nivel da fonte é inferior ou igual a 0,1 bar (104Pa).In general, the tolerated limit hydraulic pressure (PSA) at the source level is less than or equal to 0.1 bar (104 Pa).
Segundo um outro aspecto da invenção, a presente invenção fornece um dispositivo de captação de água doce proveniente de uma fonte de água doce submarina por intermédio de um processo de acordo com a reivindicação 5.According to a further aspect of the invention, the present invention provides a device for collecting fresh water from an underwater freshwater source by a process according to claim 5.
De acordo com formas de realização particulares e vantajosas do dispositivo de acordo com a invenção: o dispositivo compreende primeiros meios de amarração da referida primeira conduta ti no fundo do mar e/ou numa base que assenta no fundo do mar, e segundos meios de amarração da referida segunda conduta e/ou do referido reservatório assim amarrado(s) ao fundo do mar e/ou à referida primeira conduta; o referido reservatório é solidário com a segunda conduta e rodeia-a de maneira estanque; o referido reservatório é constituído por um invólucro que pode ser, nomeadamente, flexível ou rigido, atravessado de forma estanque pela referida segunda conduta t2; o referido invólucro apresenta na sua parte superior uma forma de calote sensivelmente hemisférica ou em forma de sino; o referido invólucro flexível pode adoptar uma forma de calote sensivelmente hemisférica ou em forma de sino no 7 fundo do mar quando é amarrado e quando se injecta o ar comprimido por baixo do referido invólucro; o dispositivo compreende meios de injecção de ar comprimido no interior do referido reservatório; o diâmetro da base aberta do referido reservatório é tal que a sua superfície de abertura será, pelo menos, igual à abertura da fonte; o comprimento da referida primeira conduta ti é superior ou igual à altura dos relevos e/ou objectos, naturais ou não, que assentam no fundo do mar na proximidade da referida fonte submarina num raio correspondente ao da base aberta do reservatório; a parte superior da referida primeira conduta ti que rodeia a parte inferior da referida segunda conduta é alargada em forma de funil com a sua base menor virada para baixo; esta forma de realização favorece o bom escoamento do excesso do débito de água doce no reservatório conforme for necessário; o diâmetro Di da referida primeira conduta ti ao nível da extremidade inferior da referida segunda conduta t2 é tal que a superfície em anel entre as duas referidas primeira e segunda condutas a este nível é superior ou igual à superfície da secção da referida primeira conduta (ou seja, superior a Πϋι2/4 para uma secção circular); a referida segunda conduta sobe directamente à superfície, de um modo preferido, sensivelmente na vertical a partir da extremidade superior da referida segunda conduta, e a água doce é recuperada à superfície e transportada para terra, de um modo preferido, por um navio; a referida segunda conduta pode voltar a descer e repousar no fundo do mar para atingir a costa, e assim encaminhar a água para a costa, de um modo preferido, desembocando em terra a uma altura inferior ao nivel do mar. A presente invenção fornece também um processo de colocação no fundo do mar de um dispositivo de captação de água doce de acordo com a reivindicação 15. 0 processos e o dispositivo de captação de água doce de acordo com a invenção são vantajosos a vários títulos.According to particular and advantageous embodiments of the device according to the invention: the device comprises first mooring means for said first conduit ti on the seabed and / or on a seabed base, and second mooring means of said second conduit and / or said reservoir thus secured to the seabed and / or said first conduit; said reservoir is secured to the second conduit and sealingly surrounds it; said reservoir is constituted by a housing which may be, in particular, flexible or rigid, which is sealingly traversed by said second conduit t2; said housing has a substantially hemispherical or bell-shaped shell shape on its upper part; said flexible housing may assume a substantially hemispherical or bell-shaped canopy form at the bottom of the sea when it is tied and when the compressed air is injected below said shell; the device comprises means for injecting compressed air into said reservoir; the diameter of the open base of said reservoir is such that its aperture surface will be at least equal to the aperture of the source; the length of said first conduit ti is greater than or equal to the height of the reliefs and / or objects, natural or not, which lie on the seabed in the vicinity of said undersea source within a radius corresponding to that of the open base of the reservoir; the upper portion of said first conduit ti surrounding the lower portion of said second conduit is widened in funnel shape with its minor base facing downwardly; this embodiment favors the good flow of excess fresh water flow into the reservoir as required; the diameter Di of said first conduit ti at the lower end of said second conduit t2 is such that the ring surface between said two said first and second conduits at this level is greater than or equal to the surface of the section of said first conduit is greater than Πϋι2 / 4 for a circular section); said second conduit rises directly to the surface, preferably substantially vertically from the upper end of said second conduit, and fresh water is recovered to the surface and transported to land, preferably by a ship; said second conduit may again descend and rest on the seabed to reach the coast, and thus to direct the water to the shore, preferably to land at a height below sea level. The present invention also provides a process for placing the fresh water collection device in the seafloor according to claim 15. The processes and the fresh water collection device according to the invention are advantageous in several respects.
Em primeiro lugar, permitem captar água doce impedindo qualquer contacto e portanto qualquer mistura de água doce/água salgada, e portanto fazer a recolha de uma água doce pura. Com efeito, o ar no interior do reservatório cria um interface que não pode ser ultrapassado pela água salgada que não pode assim contaminar a água doce recolhida através da referida segunda conduta t2.Firstly, they allow fresh water to be captured, preventing any contact and therefore any mixing of fresh water / salt water, and therefore collecting fresh pure water. Indeed, the air inside the reservoir creates an interface which can not be surpassed by salt water which can not thus contaminate fresh water collected through said second conduit t2.
Em segundo lugar, o processo e o dispositivo de acordo com a invenção permitem captar a água doce com um débito de captação de água doce sensivelmente constante, sem risco de sobre pressão excessiva e portanto evitando qualquer perturbação hidrogeológica da fonte que daí possa resultar, e isto, na ausência de meio(s) mecânico(s) de regulação de débito no interior das referidas primeira e segunda condutas, tais como válvulas anti-retorno de evacuação, nomeadamente ao nível da junção das referidas primeira e segunda condutas ou ao nível do reservatório.Secondly, the process and the device according to the invention enable fresh water to be captured with a substantially constant fresh water intake rate without the risk of over-pressure and thus avoiding any hydrogeological disturbance of the source that may result, and in the absence of mechanical flow regulating means (s) within said first and second conduits, such as non-return valves for evacuation, namely at the level of the junction of said first and second conduits or at the level of reservoir.
No total, o processo e o dispositivo de acordo com a invenção permitem regular o débito antecipado da fonte e a carga hidráulica da fonte na sua saída, independentemente do seu débito natural, evitando assim o risco de intrusão de água salgada na conduta de encaminhamento para terra 9 através da referida segunda conduta em caso de bombada excessiva e isto por meios de regulação baseados num principio hidráulico e não mecânico e portanto sem a colocação de meios de regulação mecânicos adicionais.In total, the process and the device according to the invention allow to regulate the anticipated flow rate of the source and the hydraulic load of the source at its outlet, irrespective of its natural output, thus avoiding the risk of intrusion of salt water into the routing duct for ground 9 through said second conduit in the event of excessive pumping and this by means of regulation based on a hydraulic and non-mechanical principle and therefore without the provision of additional mechanical adjustment means.
Como se mostra na figura 1, se o débito de água doce que se escoa da fonte excede o débito limite dado, o referido débito pode seguir dois caminhos na extremidade superior da referida primeira conduta, a saber: um primeiro caminho C2 pelo qual sobe à superfície através da referida segunda conduta t2 com o débito dado, de um modo preferido, o débito médio da fonte; e um segundo caminho Ci pelo qual passa no espaço em anel para o interior da referida primeira conduta ti e no exterior da referida segunda conduta t2 com um débito correspondente ao diferencial entre o débito da fonte e o referido débito dado. É possível determinar as dimensões das condutas ti e t2 e a altura H entre o interface água/ar no reservatório e a extremidade superior da referida primeira conduta, de tal maneira que, quando o débito da fonte corresponde ao débito que se deseja antecipar, nomeadamente ao débito médio de escoamento da fonte, toda a água doce segue o caminho C2 através da referida segunda conduta e a sobre pressão, ao nível da fonte, se mantém inferior ou igual à sobre pressão limite tolerada da fonte.As shown in Figure 1, if the flow of fresh water flowing from the source exceeds the given limit flow rate, said flow rate may follow two paths at the upper end of said first conduit, namely: a first path C2 by which it rises to surface through said second conduit t2 with the given flow rate, preferably the average flow rate of the source; and a second path C 1 through which passes in the ring space into the interior of said first conduit ti and outside of said second conduit t 2 with a flow rate corresponding to the differential between the flow of the source and said given flow. It is possible to determine the dimensions of the pipes ti and t2 and the height H between the water / air interface in the reservoir and the upper end of said first conduit, such that, when the flow of the source corresponds to the flow rate to be anticipated, namely at the average flow rate of the source, all fresh water follows the path C2 through said second conduit and the overpressure at the source level remains less than or equal to the tolerated overpressure pressure of the source.
Com efeito, a regulação da altura H do interface influi directamente no débito que passa na referida segunda conduta t2, bem como no valor da sobre pressão provocada na fonte.In effect, the regulation of the height H of the interface directly influences the throughput in said second conduit t2, as well as the value of the overpressure caused at the source.
Na prática, pode proceder-se da maneira seguinte: 1) Mede-se o débito médio da fonte, e 10 2) Determina-se a altura H de maneira que a expressão PixgxH+G+Pi </= APS se verifique.In practice, one can proceed as follows: 1) The average flow rate of the source is measured, and 2) The height H is determined so that the expression PixgxH + G + Pi </ = APS is verified.
As perdas de carga Pi na referida primeira conduta ti, estão ligadas à geometria e, seguramente, ao estado da superfície do material que constitui a parede interior das referidas condutas, bem como à velocidade da água que circula na referida primeira conduta.The load losses Pi in said first conduit ti are connected to the geometry and, assuredly, to the state of the surface of the material constituting the inner wall of said conduits, as well as to the velocity of the water circulating in said first conduit.
Assim, em caso de crescimento e aumento do débito de água doce ao nível da fonte, observa-se que o débito que se escoa através da referida segunda conduta t2 é constante qualquer que seja o débito de escoamento ao nível da fonte e a altura H mantém-se constante, escoando-se o excesso de débito através do referido segundo caminho Ci. A água doce transborda da extremidade superior da referida primeira conduta para o ar ao longo da parede exterior da referida primeira conduta ti depois chega à água salgada, na junção interface ar/água, na parte baixa do referido reservatório, o que tem por efeito captar, pela parte baixa do referido reservatório, uma quantidade equivalente de água, permanecendo o volume de ar portanto constante no interior do referido reservatório e não sendo nunca ultrapassada a sobre pressão hidráulica tolerada ao nível da fonte. 0 valor H mantém-se constante. Todavia, em caso de antecipação acidental superior ao débito natural da fonte, o nível de água doce na parte superior da referida primeira conduta vai baixar e passar sob a extremidade inferior da referida segunda conduta t2, o que vai provocar a entrada de ar na referida segunda conduta t2 3 e não de água salgada, uma vez que o sistema se desliga momentaneamente.Thus, in case of growth and increase of the fresh water flow at the source level, it is observed that the flow through said second conduit t2 is constant regardless of the flow rate at the source and the height H is maintained constant by flowing the excess flow through said second path Ci. Fresh water overflows from the upper end of said first conduit into the air along the outer wall of said first conduit and then arrives at salt water, air / water interface junction in the lower part of said reservoir, which has the effect of capturing, by the low part of said reservoir, an equivalent amount of water, the volume of air remaining therefore constant within said reservoir and never being exceeded the hydraulic pressure tolerated at the source level. The H-value remains constant. However, in the event of accidental anticipation exceeding the natural flow rate of the source, the fresh water level in the upper portion of said first conduit will lower and pass under the lower end of said second conduit t2, which will cause air to enter said port second conduit t2 and not salt water as the system momentarily switches off.
Na prática, o referido reservatório desce ao fundo do mar, sem ar e portanto cheio de água do mar, e, quando fica numa posição por baixo da extremidade superior da referida primeira conduta ti, injecta-se ar no interior do 11 reservatório e é a quantidade de ar injectada no referido reservatório que permite regular a altura H.In practice, said reservoir descends to the seabed, airless and therefore filled with sea water, and, when it is in a position below the upper end of said first conduit ti, air is injected into the reservoir and is the amount of air injected into said reservoir allowing the height H.
Compreende-se que a forma e o valor do volume do referido reservatório não têm incidência no principio de captação hidráulica da água doce e serão o menos possível e o mais adaptado à facilidade de instalação do referido reservatório no fundo do mar. A impermeabilidade na extremidade inferior da referida primeira conduta é obtida fazendo com que o perímetro da conduta se adapte ao contorno do relevo do fundo do mar ao nível da fonte. A primeira conduta pode ser amarrada ao fundo do mar por intermédio de lastros ou por intermédio de uma mangueira periférica assente no fundo do mar.It is understood that the shape and value of the volume of said reservoir have no effect on the principle of hydraulic abstraction of fresh water and will be the least possible and most suitable for ease of installation of said reservoir on the seabed. The impermeability at the lower end of said first conduit is achieved by making the perimeter of the conduit conform to the outline of the bottom of the sea at source. The first conduit may be tied to the seabed by means of ballast or by a peripheral hose seated on the seabed.
Para minimizar as perdas de carga na referida primeira conduta ti e portanto a sobre pressão que induzem ao nível da fonte, é vantajoso colocar uma conduta ti o mais curta possível e de maior diâmetro.To minimize the load losses in said first conduit and hence the overpressure inducing at the source level, it is advantageous to place a shortest and longest diameter conduit.
Na prática, a primeira conduta ti prolonga-se numa altura de água, de um modo preferido, superior à altitude do relevo do fundo submarino, na proximidade imediata da fonte e/ou dos obstáculos e estorvos, naturais ou não, por exemplo, e principalmente os rochedos. A base aberta do reservatório pode assim ser amarrada ao fundo do mar e/ou à referida primeira conduta, situada a uma certa distância acima da fonte e nomeadamente acima do referido relevo e/ou objectos, naturais ou não, na zona da fonte.In practice, the first conduit ti extends at a water height, preferably above the relief altitude of the undersea bottom, in the immediate vicinity of the source and / or the obstacles and obstructions, natural or not, for example, and especially the cliffs. The open base of the reservoir may thus be attached to the seabed and / or to said first conduit, located at a certain distance above the source and in particular above said relief and / or objects, natural or not, in the source region.
Outras características e vantagens da presente invenção surgirão da apresentação pormenorizada de uma forma de realização que se vai seguir, considerada com referência às figuras 1 e 2 que representam, respectivamente, um 12 dispositivo de captação instalado no fundo do mar por cima de uma fonte submarina de água doce (figura 1) e o reservatório 4 (figura 2).Further features and advantages of the present invention will emerge from the detailed presentation of an embodiment to be followed, taken with reference to Figures 1 and 2, representing, respectively, a catchment device installed in the seabed above an underwater source (Figure 1) and the reservoir 4 (Figure 2).
Foi realizado um dispositivo de captação de água doce preparado para receber a água doce da fonte dita de «la Mortola» situada em Itália entre Menton e Vintimille. Esta fonte tem um débito médio de água doce de 100 1/s. Os geólogos hídricos determinaram gue a sobre pressão hidráulica máxima tolerada para esta fonte é de 0,1 bar. Esta fonte fica situada a uma profundidade de 36 m e o seu orifício sai próximo dos blocos rochosos com uma altura de 5 m. A fonte está situada a 800 m da costa.A freshwater catchment device was prepared to receive freshwater from the so-called 'la Mortola' source located in Italy between Menton and Vintimille. This source has an average freshwater flow rate of 100 l / s. Water geologists have determined that the maximum allowable hydraulic pressure for this source is 0.1 bar. This source is located at a depth of 36 m and its orifice leaves near the rocky blocks with a height of 5 m. The fountain is situated 800 m from the coast.
Tendo em conta a configuração do orifício da fonte e dos obstáculos que rodeiam o referido orifício no fundo do mar, é utilizada uma primeira conduta ti 2 com uma altura total de 7 m, apresentando uma parte corrente tubular de secção circular com um diâmetro de 0,4 m. A referida primeira conduta ti 2 termina na sua extremidade 2i inferior por um funil alargado para baixo e cu j a extremidade inferior forma um círculo de 1,3 m de diâmetro, de maneira a vir rodear completamente a referida fonte tendo em conta a geometria do orifício de saída da referida fonte. Este primeiro funil 2i inferior é constituído por uma chapa rígida, plástica ou metálica, envolvendo a extremidade circular da parte corrente da referida primeira conduta 2 na sua extremidade inferior. O referido funil 2i inferior apresenta uma altura de 4 m. A primeira conduta ti 2 tem, na sua parte superior, um segundo funil 22 de pequena e grande bases de secções circulares, obtido igualmente por enrolamento de uma chapa metálica ou plástica termoformada, que rodeia a parte da extremidade superior da referida primeira conduta. Esta forma alargada para o topo da parte superior da referida 13 primeira conduta visa facilitar o escoamento do excesso de débito de água doce da fonte no interior do reservatório 4. A base inferior aberta do primeiro funil 2i é solidária com uma base 8 que repousa no fundo do mar e rodeia a fonte. Pode também ser rodeada por um rebordo de areia ou de betão ou outro lastro periférico que assegure a impermeabilidade com o fundo do mar. A parte corrente da primeira conduta ti 2 pode ser constituída por uma conduta flexível ou rígida. É colocada verticalmente por cima da referida fonte. 0 referido reservatório 4 é constituído por um invólucro 4X superior rígido atravessado no seu centro por uma segunda conduta t2 3, de um modo preferido, rígida, de diâmetro de 0,4 m. 0 invólucro rígido que constitui a parte superior do dito reservatório 4 forma uma calote 4i hemisférica com um diâmetro de 1,8 m e prolongada na sua base por uma superfície troncocónica designada a seguir por cone 42 de 2 m de altura envolvendo a referida primeira conduta. É a base aberta do referido cone 42 que deixa escapar o excesso de água doce em caso de crescimento da fonte. Na figura 1, a base do cone 42 é amarrada por meios apropriados 1\ à referida primeira conduta ti 2 de maneira que a base do referido cone fique situada a uma altura de 5 m relativamente ao fundo do mar. A presença do cone 42 é facultativa. A base da calote 4i pode ser amarrada directamente à referida primeira conduta. A porção da referida segunda conduta t2 3 situada no interior do referido reservatório 4 tem um comprimento de 1 m. 14Taking into account the configuration of the source hole and the obstacles surrounding said hole in the seabed, a first conduit ti 2 with a total height of 7 m is used, having a circular tubular section having a diameter of 0 , 4 m. Said first conduit 2 terminates at its lower end 2i by a downwardly extending funnel and having a lower end forming a circle of 1.3 m in diameter so as to completely surround said source taking into account the geometry of the orifice of said source. This first lower funnel 2i consists of a rigid, plastic or metallic plate surrounding the circular end of the running portion of said first conduit 2 at its lower end. Said lower funnel 2i has a height of 4 m. The first conduit ti 2 has at its upper part a second funnel 22 of small and large bases of circular sections, also obtained by winding a thermoformed metal or plastic sheet, which surrounds the upper end part of said first conduit. This enlarged top shape of the upper portion of said first conduit is to facilitate the flow of excess fresh water flow from the source into the reservoir 4. The open lower base of the first funnel 21 is secured to a base 8 resting therein. sea bottom and surrounds the fountain. It may also be surrounded by a ridge of sand or concrete or other peripheral ballast that ensures impermeability with the seabed. The current portion of the first conduit ti 2 may be constituted by a flexible or rigid conduit. It is placed vertically above said source. Said tank 4 is constituted by a rigid upper 4X shell crossed at its center by a second conduit t2, preferably rigid, with a diameter of 0.4 m. The rigid housing constituting the upper portion of said reservoir 4 forms a hemispherical canopy 4i having a diameter of 1.8 m and extended at its base by a frustoconical surface designated below by a cone 42 of 2 m in height surrounding said first conduit. It is the open base of said cone 42 which allows excess fresh water to escape in case of source growth. In figure 1, the base of the cone 42 is secured by appropriate means 1 'to said first duct 2 so that the base of said cone is placed at a height of 5 m with respect to the seabed. The presence of the cone 42 is optional. The base of the canopy 4i can be directly attached to said first conduit. The portion of said second conduit t2 located within said reservoir 4 has a length of 1 m. 14
Quando se injectam 2 m3 de ar comprimido por baixo do referido invólucro que constitui o reservatório 4, após ter amarrado a sua base 43 aberta ao fundo do mar ou à primeira conduta, é introduzido um comprimento 1 de 0,3 m na parte inferior 3i da referida segunda conduta t2 3 na parte superior da referida primeira conduta ti 2. A altura H entre o interface 6 ar/água no interior do reservatório 4 e o interface ar/água na extremidade superior do referido funil 22 superior da referida primeira conduta ti 2 é de 0,2 m. A extremidade 3i inferior da referida segunda conduta t2 3 tem na sua periferia suportes 9 que servem de reforços para centrar a referida extremidade inferior da segunda conduta no interior do referido funil 2X na extremidade superior da referida primeira conduta.When 2 m 3 of compressed air is injected below said shell forming the reservoir 4, after having attached its base 43 open to the seabed or the first conduit, a length 1 of 0.3 m is introduced into the bottom 3i of said second conduit t 2 in the upper portion of said first conduit 2. The height H between the air / water interface 6 inside the reservoir 4 and the air / water interface at the upper end of said upper hopper 22 of said first conduit ti 2 is 0.2 m. The lower end 3i of said second conduit t2 3 has at its periphery supports 9 which serve as reinforcements for centering said lower end of the second conduit within said funnel 2X at the upper end of said first conduit.
Na figura 1, representou-se, na proximidade da meia altura da referida primeira conduta, um medidor 10 de débito. Foram as caracteristicas deste medidor 10 de débito que justificaram a colocação de uma porção da referida primeira conduta t2 2 mais estreita a este nivel para a adaptar ao medidor 10 de débito de que se dispunha.In figure 1, a flow meter 10 was shown close to the half height of said first conduit. It was the features of this flow meter 10 that justified the placement of a portion of the narrowest first conduit t2 2 at this level to accommodate it to the flow meter 10 that was provided.
Na base da referida primeira conduta t2 2, foram igualmente adaptados elementos 1\ de reforço que servem igualmente de amarração por meio de parafusos numa base 8 que rodeia de forma estanque o orifício da fonte 1. A determinação do valor H e o dimensionamento das referidas primeira e segunda condutas 2 e 3, bem como o volume de ar comprimido injectado no referido reservatório 4, foram determinados da maneira seguinte:On the basis of said first conduit t 2, also reinforcing elements 1 'which also serve as a mooring by means of screws on a base 8 which sealingly surrounds the orifice of the source 1 are determined. The determination of the H-value and the dimensioning of said first and second conduits 2 and 3, as well as the volume of compressed air injected into said reservoir 4, were determined as follows:
Quando a fonte está em crescimento e o seu débito excede os 100 1/s, nomeadamente atingindo o seu valor 15 máximo de 500 1/s, o débito que passa através da referida conduta t2 pelo caminho C2 mantém-se perto do débito médio de 100 1/s, enquanto que o débito de áqua doce, que passa pelo caminho Ci no espaço em anel entre a extremidade inferior da referida segunda conduta t2 e a extremidade superior da referida primeira conduta ti, é de uma maneira geral de 400 1/s no máximo. A água da fonte, que sobe através da referida primeira conduta ti 2, encontra na base da referida segunda conduta t2 3 dois caminhos Ci e C2 possiveis.When the source is growing and its flow rate exceeds 100 l / s, namely reaching its maximum value of 500 l / s, the flow through said conduit t2 along the path C2 remains close to the average flow rate 100 1 / s, while the sweet water flow through the path Ci in the ring space between the lower end of said second conduit t2 and the upper end of said first conduit ti is generally 400 l / s at most. The source water, which rises through said first conduit ti 2, locates at the base of said second conduit t2 3 two possible paths Ci and C2.
Pelo caminho Clr a água doce transborda da extremidade superior da referida primeira conduta ti 2 e escoa-se no ar ao longo da parede exterior do referido primeiro funil 2i superior depois atinge a água salgada, o que tem por efeito captar, pela parte baixa do reservatório, uma quantidade de água doce de tal forma que o volume 5 de ar comprimido contido no reservatório 4 se mantém constante assim como a altura H.By the way Clr the fresh water overflows from the upper end of said first conduit ti 2 and it flows in the air along the outer wall of said first funnel 2i superior then reaches the salt water, which has the effect to capture, by the low part of the reservoir, an amount of fresh water such that the volume 5 of compressed air contained in the reservoir 4 remains constant as well as the height H.
Pelo caminho C2, a água doce passa na referida segunda conduta t2 3 escoando-se à razão de 100 1/s o débito médio da fonte tendo em conta o dimensionamento da referida primeira conduta e a determinação do valor H por um lado, e devido ao facto da sobre pressão hidráulica máxima tolerada pela fonte ser de 0,1 bar. A água doce escolhe sempre o caminho que lhe oferece a menor «resistência». Para o caminho Ci, esta «resistência» a partir do interface ar/água, é essencialmente determinada pela energia pigH, em que pi = densidade da água doce, g = 9,81 m/s2. Verifica-se assim que quando H aumenta, se favorece a passagem por C2.Along the path C2, the fresh water passes into said second conduit t2 3 by flowing at a rate of 100% / s average flow rate taking into account the dimensioning of said first conduit and the determination of the H-value on the one hand, and due to the the maximum hydraulic pressure tolerated by the source is 0.1 bar. Fresh water always chooses the path that offers the least resistance. For path Ci, this "resistance" from the air / water interface is essentially determined by the pigH energy, where pi = density of fresh water, g = 9.81 m / s2. It is thus verified that when H increases, it favors the passage through C2.
Por este caminho, a «resistência» que encontra água doce para se escoar através da conduta t2 é igual às perdas de carga provocadas pelo seu escoamento na referida conduta 16 12 mas calcula-se de forma convencional em função do diâmetro, do comprimento da referida conduta e do débito de escoamento. 0 invólucro 42 rigido bem como o cone 42, que constituem o referido reservatório 4, podem ser fabricados de um material plástico, de um material compósito ou de aço.By this way, the "resistance" encountering fresh water to flow through conduit t2 is equal to the losses of charge caused by its flow in said conduit 1612 but is calculated conventionally in function of the diameter, length of said conduit conduit and flow rate. The stiff housing 42 as well as the cone 42 constituting said reservoir 4 may be fabricated from a plastic material, a composite material or a steel.
Este sistema de recolha de água doce pode funcionar, como atrás mencionado, sem utilização de bomba uma vez que a água doce, além da sua densidade menor que a da água do mar, sobe naturalmente à superfície.This freshwater harvesting system can operate, as mentioned above, without the use of a pump since fresh water, in addition to its lower density than sea water, naturally rises to the surface.
Todavia, se a segunda conduta t2 3 desce ao fundo do mar para atingir a costa, o nível de altitude ao qual desemboca a referida segunda conduta t2 3 deve ficar suficientemente abaixo do nível do mar para, pelo menos, compensar as perdas de carga na conduta ' t2.However, if the second conduit t2 3 descends to the seabed to reach the coast, the level of altitude to which said second conduit t2 3 ends must be sufficiently below sea level to at least compensate for the head losses in conduit 't2.
Lisboa, 5 de Fevereiro de 2009 17Lisbon, February 5, 2009
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