WO2012175826A1 - Echangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération - Google Patents

Echangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération Download PDF

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WO2012175826A1
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ring
seawater
geothermal
shaped heat
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Michel Bonne
Ulrike Gabriele SEUFERT
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Michel Bonne
Seufert Ulrike Gabriele
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Definitions

  • the present ring-shaped heat exchanger invention is a method by which convective heat transfer is achieved, which means a temperature difference between two media, a fluid which is seawater with respect to we are concerned and a heat flow from a solid body, a country rock.
  • the ring-shaped heat exchanger for its operation and thermal interaction capability, is installed and laid out from preliminary large-scale works that are carried out in the host rock of medium or high enthalpy basements, even low enthalpy, if geothermal conditions and thermal flows permit.
  • the energy used is geothermal energy, primary natural energy resource, planetary, abundant and inexhaustible on earth.
  • the invention by its method of use relates to the desalination methods of seawater and wastewater by distillation or evaporation.
  • the ring-shaped heat exchanger by its concept and its thermal process, makes it possible to optimize the convective vector for transferring heat from a hot body to a colder body. For this reason, the renewable energy used, geothermal energy, plays an important role in the the ring-shaped heat exchanger, so that the seawater circulating in the exchanger is finally desalinated once raised to the surface to be vaporized in the atmosphere.
  • the ring-shaped heat exchanger has the particularity of allowing this form of energy to replace the use of fossil fuels used today for water desalination methods. sea or sewage.
  • the need for access to drinking water and the world's energy needs will irretrievably increase and for a long time, water and energy are closely linked.
  • fossil fuels which dry up and charge the atmosphere with carbon dioxide, can no longer be the universal answer. It is therefore important to find new, preferably non-polluting and renewable energy resources.
  • the geothermal energy of fractured hot rocks has the potential to provide answers to these global challenges. We live on a virtually undefined energy stock.
  • the heat exchanger proposed here according to the invention is the sensor of this heat.
  • the proposed patent uses geothermal energy in its process. It allows to produce with no other expenses than those of the investment and functioning of fresh water in abundance with desalinated water production prices very low.
  • These measures are also generally expressed and quantified according to the type of energy unit used, expressed in units of energy / work: the
  • the seawater desalination plants built today are of increasing production capacity, with mega-factories ranging from 500,000 m3 / day to 1,000 000 m3 / day and certainly more tomorrow, knowing that today for reasons of technical constraints, they use mixed production solutions MSF and RO or MED and RO.
  • the ring-shaped heat exchanger makes it possible to replace the fossil fuels consumed today and to reserve them and / or allocate them according to their particularities to other economic sectors.
  • the present invention by its method makes it possible to save maintenance due to the simplicity of its operating system, also to reject the brine with water at a temperature identical to that of the marine currents in situ, and finally to avoid discharges CO2 or greenhouse gas emissions into the atmosphere.
  • the present invention is directed to the desalination methods of seawater.
  • the function of the heat exchanger is on the one hand to heat the sea water to vaporize it to the atmosphere by thermal desalination methods to obtain fresh water and secondly by cogeneration to get electric power at low cost.
  • Hydrogen produced by electrolyser is a pure hydrogen, which is the most compatible for all forms of industrial applications.
  • the heat exchanger of the present invention through the use of geothermal energy, enables low production costs with high hydrogen production capacities.
  • the ring-shaped heat exchanger used at the base for this particular application is the same as the desalting methods, so the patent claims are identical.
  • the ring-shaped heat exchanger for these general purposes in fine can be used and serve as a thermal convector according to its method using here the reinjection water which is used at the base to increase the oil pumping pressure.
  • the heat exchanger according to the invention makes it possible here to be able to treat this brackish water in order, on the one hand, as the methods of treatment of the Rates or the reuse of the wastewater, to vaporize it in the atmosphere and then to condense it. to ultimately make it drinkable like desalination methods, and secondly, to recover residual oil that can remain in this type of water.
  • the proposed patent is simple in its mind, safe in principle, scalable in its operation and effective by its positioning in-depth in situ, mainly in areas of medium or high enthalpy.
  • the ring-shaped heat exchanger benefits from the expression, the art and the techniques of the tankers in the drilling fields. but also the knowledge of the masters of works in the civil engineering works in the sectors in particular of tunnel or underground boring as well as the know-how of the extractions works inside mines of various nature.
  • Geothermal energy is used successfully in two essential sectors: one for electricity generation and the other for heat production. This implies that the demonstration of its capabilities as an energetic vector is well established.
  • the ring-shaped heat exchanger and its method, a third die is opened, that of desalination of seawater or wastewater by direct heat transfer from a local geothermal flow to a fluid, here seawater, and not through the production of geothermal electric energy and then able to desalt the seawater as other forms of desalination processes.
  • the ring-shaped heat exchanger proposed here in its applications provides lower production costs compared to the current market, depending on the production capacities achievable with comparable scale sizes. On this basis, the price of freshwater produced, apart from the cost of investment, maintenance, maintenance and will remain, despite the conjunctures on stocks and prices of fossil fuels, shown in the comparative table between the various industrial desalination processes annexed in the document.
  • Figure 1 gives an overview of the stated principle of the ring-shaped heat exchanger (a) which according to its length (L), determined according to the desalinated water production capacity, is positioned from tunnel dug in the country rock (b).
  • the crown or circulation space (c) of the seawater is located between the wall of the excavated rock and the outer part of the heat exchanger.
  • the dividing wall (d) in the annular heat exchanger allows the flow of water in both directions of circulation and heats up in the circulation ring.
  • Figure 2 Gives a partial schematic view of the descent tunnel for conveying (e) seawater to the heat exchanger. Drilled in the country rock (f), the tunnel is equipped with hoses (g) to go, seawater feed, to the ring-shaped heat exchanger (h) and return of hot seawater to the vaporization surface in the desalination unit suitable for the present desalination process by distillation (for technical reference, see Figures 8 and 9 of the MSF or MED processes) to switch to fresh water and evacuate the brine.
  • the figure also shows the position of a buffer tank (i) between the hot seawater descent and upflow pipes and the ring-shaped heat exchanger.
  • FIG. 3 Also shows, according to the invention, a simplified partial representation of a ring-shaped heat exchanger model and its positioning in relation to the local thermal regime of a host rock, mainly on average or high enthalpy.
  • the diameter and length (L) of the ring-shaped heat exchanger will be variable depending on the combination of factors and parameters of gradient and local geothermal flow, but also desalinated water production capacities.
  • the diameter measurement given here as an indication in the diagram corresponds to a heat exchanger including large production capacity of desalinated water.
  • ring here a unique heat exchanger model for the heat transfer from the host rock to circulating water in the crown or the circulation space (j) of the seawater, the ring being positioned between the host rock and the wall of the heat exchanger.
  • the partition wall (k) for the circulation of water heats up in the crown to and from the water.
  • the crossing and circulation path for maintenance and access to maintenance hatches is indicated by (1).
  • Figure 5 Partial cross-sectional view of the ring-shaped heat exchanger.
  • the figure shows the crown (m) or the space of water circulation between the host rock and the wall of the heat exchanger.
  • the figure also shows the end buffer tank of the heat exchanger (n).
  • Figure 6 Cutaway shows a double and partial model of ring-shaped heat exchangers, here a model of two heat exchangers, a go and a return for heat transfer from the country rock to the water circulating in the crown (o) or the circulation spaces of the seawater.
  • the circulation paths for maintenance and access to the maintenance hatches are indicated by (p).
  • Figure 7 Partial cross-sectional view of the double ring-shaped heat exchangers. The figure shows the crowns (q) or circulation spaces water between the host rock and the wall of the heat exchangers with an end buffer tank uniting the ring-shaped heat exchangers positioned in parallel in the host rock.
  • Figure 8 Purpose only to show and for memory a technical scheme of desalination process of seawater by distillation of Multi Stage
  • the ring-shaped heat exchanger according to the invention which is powered by geothermal energy, is a substitute for the thermal power station currently used and supplied with fossil energy necessary for the operation of an MSF unit.
  • Figure 9 Purpose only to show and for memory a technical scheme of desalination process of seawater by distillation of Multi Effect Distillation (MED).
  • MED Multi Effect Distillation
  • the ring-shaped heat exchanger according to the invention which is powered by geothermal energy, is a substitute for the thermal plant currently used and supplied with fossil energy necessary for the operation of a MED unit.
  • Figure 10 Application sheet for the ring-shaped heat exchanger.
  • the graph shows examples where the horizontal distance is deduced from a given central temperature.
  • Figures 11 & 12 Application data sheets at the ring-shaped heat exchanger.
  • the graph in Figure 11 shows the temperature at the center of the tube as a function of its length for different imposed rates.
  • the curves show the different temperatures of the host rock. The point circled in the bottom figure is described in the text.
  • Sheet 1 Calculation sheet appended to the document shows the technical feasibility of the process, in particular the possibility of raising the warm sea-water by ensuring that it only loses a small part of its temperature in such a way that to respond to the process.
  • Sheet 3 attached in the document shows the main units of measurement used in energy consumption calculations in the industrial fields of seawater desalination and geological gradient or geothermal flow calculations.
  • the heat exchanger For its operational application and for transferring the heat from the host rock to the sea water, the heat exchanger essentially uses, as we have seen, the geothermal energy of medium or high enthalpy according to the temperature gradients.
  • geothermal energy Stored in the lithosphere, geothermal energy offers a large amount of energy constituting an energy potential accessible under certain conditions, and its thermal flux is expressed in W / m, see sheet 1 of calculations and
  • Each site is characterized by its temperature gradient expressed in ° C / km.
  • the crown-shaped heat exchanger is formed by a separate tube in two half-moons [FIGS. 1, 4 and 5], this shape will most often be recommended to allow the circulation of the fluid, the water of sea, on one side in the forward direction and on the other side in the return direction for surface spraying.
  • the heat exchanger it will be necessary for the heat exchanger to consist of two ring-shaped heat exchangers positioned and installed in parallel in the surrounding rock. A heat exchanger with its crown of circulation of the seawater in the outward direction and a second heat exchanger with its crown of circulation of the seawater in the return direction [Figure 6 and 7].
  • the heat exchanger has the shape of a tube, with a variable diameter depending on the amount of seawater to be desalinated and a length (L) [Figure 3 of the simplified model] which will be defined by the calculations provided from the Geological indications and geothermal parameters during in situ feasibility studies.
  • the heat exchanger is made of composite materials, as can polyester or vinylester resins with thermoplastic liners resistant to large positive temperature differences above 200 ° C, well above the geothermal temperatures that are necessary in the context of the invention.
  • the seawater For the application of the heat exchanger process that concerns us here, the seawater must reach a temperature of about 115/120 ° C to be vaporized in the atmosphere. It will always be possible for the vaporization temperature to change as a function of the natural or technical atmospheric pressure involved.
  • the use of composite materials for the heat exchanger allows versatility of use perfectly mastered today by those skilled in the art.
  • the heat exchanger is prefabricated by element and assembled on site in the heat exchanger positioning tunnel.
  • a tunnel [figure 2] will be pierced by the means of a TBM equipped according to the type of rock, on a slope of approximately 30 ° up to the depth of the geothermal gradient necessary for the application.
  • the tunnel is equipped and equipped with corrosion-resistant pipes, as well as pumps and valves in numbers necessary for the routing of sea water, according to the water production capacities to be desalinated.
  • the tunnel built according to the quantity of water to be desalinated allows the seawater to go down to the heat exchanger and then to go up to the surface to be vaporized in the water desalination unit. sea.
  • the heat exchanger is equipped at each end of a buffer tank for the transfer of seawater between the downcomers and the rising pipes of the fluid and the heat exchanger whether in the form of a single or double tube.
  • the tank Buffer serves as a connection between the seawater conveyance pipes from the surface to the heat exchanger located deep in the host rock.
  • the buffer tank is used to channel the hot seawater after circulation in the heat exchanger to the pipes to the surface so that the sea water at necessary temperature depending on the application is vaporized in the atmosphere.
  • the front buffer tank is split in two to allow the flow of sea water in the return direction.
  • the buffer tank installed serves only for the transfer to and from the seawater which is charged with temperature during its passage through the sea.
  • ring-shaped heat exchanger along its entire length [FIGS. 5 and 7].
  • the invention a ring-shaped heat exchanger, is a crown pipe [FIG. 1] with an external diameter varying according to the capacity of seawater to be desalinated, ranging from 6 meters to 10 meters and an internal diameter. of (10-2d) m, d varying between 0.15 and 0.10 m [Figure 3]. Air fills the inner part of the heat exchanger pipe. This same internal part of the exchanger allows its center to install and equip a pathway for maintenance interventions. Also for these maintenance operations, access hatches to the ring gear and all along the exchanger are intended during periods of maintenance to allow the possible release of any foreign bodies or deposits that could accumulate in the crown during circulation of sea water of the ring-shaped heat exchanger.
  • the geometry and width of the seawater circulation ring are calculated so that the flow of seawater into the surrounding environment avoids thermal turbulence where heat transfer processes interact, such as :
  • the number of Prandtl corresponds to the ratio established between the diffusion of the dependent heat and the specific properties of the fluid.
  • De Peclet which is the product of the Prandtl and Reynolds numbers, and corresponds to the ratio between advected heat (transported by motion) and diffused heat.
  • Seawater is injected at 20 ° C at a given speed up to the heat exchanger at the circulation depth, which is deduced from the local thermal regime.
  • the heat exchanges then occur between the seawater and the country rock, until after a circulation of length (L) the temperature of 120 ° C is reached.
  • the seawater thus heated is then recovered on the surface in the liquid phase, without any additional heat exchange.
  • the vertical paths of the heat exchanger are adiabatic.
  • the local thermal regime is controlled by the surface temperature and the deep crustal heat flux (see worksheet in the document).
  • the thermal properties of rock and seawater, as well as the velocity of the fluid, characterize the processes of heat transfer between the rock and the circulating water.
  • the temperature of the rock is logically constant.
  • Seawater is injected at a constant volume flow rate according to the water capacities to be desalinated.
  • the pressure conditions are such that vaporization is avoided within the annular heat exchanger.
  • the heat transfer or thermal contact of the host rock with seawater circulating in the crown occurs between the rock and the external surface of the heat exchanger which is perfectly insulating by the use of composite materials.
  • the proposed ring-shaped heat exchanger patent is simple in its spirit, in principle and is flexible in its operation.
  • the heat exchanger is installed and positioned directly in the medium or high enthalpy country rock by development work as previously described in the document.
  • the heat exchanger In its function, by directly using the energetic resources of the geothermal flow in situ, that is to say by the convective heat transfer of a hot body to a colder body which is the seawater conveyed to to the heat exchanger according to its method.
  • seawater For its full function of convective heat movement, seawater is conveyed to the heat convection zone of the heat exchanger. Convective heat transfer is faster and more important than
  • the ring-shaped heat exchanger using geothermal energy and being associated with desalination methods would make it possible to obtain even lower production costs than today, to be able to substitute fossil fuels. used today and thus to reserve them for other value-added economic sectors, to be able to make maintenance savings by new, less restrictive operating systems, to reject brine in non-hot water at sea and to respond how to participate technologically in the reduction of greenhouse gas emissions in the atmosphere.
  • the ring-shaped heat exchanger using geothermal energy is a substitute for fossil fuels.
  • the specific heat of seawater is a few percent lower than that of pure water, and all the more so since the salt concentration is high.
  • Tp Temperature in ° C at a given depth
  • Ts Average surface temperature of the soil surface (depending on the geographical area, example in France of the order of 10 - 12 ° C)
  • the geothermal flow is expressed in W / m.
  • the nature of the rocks contained in the geological formations and in particular their thermal conductivity can vary the resulting heat flow.
  • the thermal conductivity varies from 2.5 to 3.8 W / m / ° K.
  • the geothermal resource is defined as the share of the accessible resource that can be extracted ecologically and also at a specific time in the future (Muffler and Cataldi, 1978). In order to qualify this resource, we must define the amount of heat available in the rock constituting the geothermal reservoir and the characteristics of this reservoir in terms of heat extraction (Atlas of Geothermal Resources, work of Muffler and Cataldi, 1978).
  • the estimate of the geothermal resource is based on the heat contained in a porous reservoir volume whose geothermal energy is supposed to be exploited by doublet.
  • the calculated geothermal potential represents a theoretical value, that is to say the maximum value of energy available in the subsoil. This is an initial value that serves as the basis for all other estimates of the potential of the subsoil (technical potential, economic potential).
  • the energy or heat contained in a reservoir depends essentially on its temperature and its volume, that is to say the thickness of the reservoir.
  • This energy corresponds to the heat extracted from the tank.
  • This energy Q is given as below in the table of example with the detailed parameters of calculation of the quantity of heat contained in a stone volume of sandstone type.
  • T * is the temperature. There is no heat loss outside the heat exchanger and the country rock is not cooled by the circulating sea water.
  • Figure 10 Shows examples where the horizontal distance is deduced from a given central temperature.
  • Sheet 2a graphs according to the production rate of desalinated water.
  • W is the international unit of power, energy flow and heat flow.
  • a watt is the power of an energy system in which an energy of 1 joule is transferred uniformly for 1 second.
  • the Wattffle (Wh) is the unit of energy or work, equivalent to working for one hour by a machine whose power is 1 kilowatt (1000 W). But in other situations, it is preferred to use in particular the joule is the work provided by a power of 1 Watt for 1 second. 1 kW / h equals 3.6 mega joules (MJ).
  • the joule, of symbol (J) is the unit of work, energy and quantity of heat, equivalent to the work produced by a force of 1 Newton (of symbol (N) Newton is the force which communicates to a body having a mass of 1 kg an acceleration of 1 m / second) whose point of application moves 1 meter in the direction of the force.
  • Ton oil equivalent (toe) 1 toe 11.628 kWh
  • cal is the unit of heat quantity, equivalent to the amount of heat required to raise the temperature by 1 ° C by 1 gram of water.

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Abstract

Echangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération et par extension d'application de produire de l'hydrogène par électrolyse. Pour ses applications de procédé, il se présente sous la forme d'un tube de diamètre variable selon la quantité d'eau de mer à dessaler et avec une longueur définie et modulée à partir des paramètres de flux géothermiques in situ. L'échangeur de chaleur en forme d'anneau se caractérise par sa capacité particulière d'interaction de procédé par lequel se réalise un transfert thermique par convection, soit un transfert de chaleur d'un corps chaud, la roche encaissante, vers un corps plus froid, qui est un fluide, l'eau de mer. A partir de travaux de gros œuvres préliminaires effectués dans la roche encaissante de sous sols de moyenne ou haute enthalpie et l'échangeur de température en forme d'anneau étant installé et aménagé, des systèmes de conduites amènent l'eau puisée en mer jusqu'au système de transfert de chaleur selon l'invention afin d'y porter la température du fluide à une valeur supérieure à celle d'ébullition, pour ensuite par d'autres systèmes de conduite être remontée en surface pour être vaporisée par sa mise à l'atmosphère. L'échangeur de chaleur en forme d'anneau par son procédé d'utilisation se rapporte par ses fonctions aux méthodes de dessalement de l'eau de mer et des eaux usées par distillation ou évaporation.

Description

Le Brevet
Echangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de
dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération.
Généralités
I - Champs techniques
La présente invention d'échangeur de chaleur en forme d'anneau est un procédé par lequel est réalisé un transfert de chaleur par convection, ce qui signifie une différence de température entre deux milieux, un fluide qui est l'eau de mer en ce qui nous concernent et un flux thermique issu d'un corps solide, une roche encaissante.
L'échangeur de chaleur en forme d'anneau, pour son fonctionnement et sa capacité d'interaction thermique, est installé et aménagé à partir de travaux de gros œuvres préliminaires qui sont effectués dans la roche encaissante des sous sols de moyenne ou haute enthalpie, voire de basse enthalpie, si les conditions géothermiques et les flux thermiques le permettent. Pour sa fonction, l'énergie utilisée est la géothermie, ressource naturelle énergétique primaire, planétaire, abondante et inépuisable sur terre. Aussi, l'invention par son procédé d'utilisation se rapporte aux méthodes de dessalement de l'eau de mer et des eaux usées par distillation ou évaporation. Pour la présente invention, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, de par sa son concept et son procédé thermique, permet d'optimaliser le vecteur convectif de transfert de chaleur d'un corps chaud vers un corps plus froid. Pour cela, l'énergie renouvelable utilisée, la géothermie, tient ici un rôle important dans la fonction de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, ceci afin que l'eau de mer en circulation dans l'échangeur soit dessalée in fine une fois remontée à la surface pour être vaporisée à l'atmosphère.
Il est nécessaire dans le document de fournir quelques données sur ce type d'énergie renouvelable pour son potentiel énergétique. Pour l'invention, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau proposé et l'énergie géothermique en tant que vecteur énergétique sont étroitement lié.
En utilisant cette source énergétique, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau a la particularité de permettre à cette forme d'énergie de se substituer à l'utilisation des énergies fossiles utilisées aujourd'hui pour les méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées. En effet, durant les prochaines décennies, les besoins d'accès à l'eau potable et les besoins énergétiques mondiaux vont irrémédiablement croître et depuis longtemps, l'eau et l'énergie sont étroitement liées. Face aux besoins légitimes, les énergies fossiles, qui se tarissent et chargent l'atmosphère en dioxyde de carbone, ne peuvent plus être la réponse universelle. Il est donc important de trouver de nouvelles ressources énergétiques de préférence non polluantes et renouvelables. La géothermie des roches chaudes fracturées a le potentiel nécessaire pour constituer des réponses à ces défis planétaires. Nous vivons sur un stock d'énergie pratiquement indéfini. A partir des gradients géothermiques et des flux géothermiques de haute enthalpie, 1 km3 de roches refroidi de seulement 20°C libère autant d'énergie thermique que la combustion de 1 275 000 tonnes de pétrole. Pour capter cette chaleur, il faut un fluide caloporteur, l'eau par exemple et ici, en ce qui nous concerne, l'eau de mer. L'échangeur de chaleur proposé ici selon l'invention est le capteur de cette chaleur.
Adapté aux systèmes actuels de dessalement de l'eau de mer, pour des capacités de production d'eau dessalée importante, le brevet proposé utilise l'énergie géothermique dans son procédé. Elle permet ainsi de produire sans autre frais que ceux de l'investissement et de fonctionnement de l'eau douce en abondance avec des prix de production d'eau dessalée très bas.
II - Champs d'applications
Les champs d'applications du brevet s'adressent aux systèmes actuels de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées en vue de produire d'une part de l'eau douce, et d'autre part grâce au procédé de cogénération qui peut en être issue, produire de l'énergie sous forme d'électricité à des coûts de production également très bas, inférieur au prix du marché actuel dans les meilleures conditions.
Pour le brevet, parmi les 27 procédés différents de dessalement recensés, classés en trois grandes familles que sont les procédés par changement de phase, les procédés de perméation, sélective à travers une membrane, et les procédés chimiques, nous retenons en fait dans le cadre des applications de l'invention les procédés, qui équipent actuellement la quasi totalité des installations en service. Ces procédés sont par évaporation ou distillation, que sont essentiellement les techniques de Multi Effect Distillation (MED) ou Multi Stage Flash (MSF), ou alors les procédés de séparation par membranes semi perméables, tel que l'Osmose Inverse (Reverse Osmosis, RO), technique de dessalement plus récente. Les particularités communes de ces différents systèmes de dessalement dans leurs fonctionnements sont qu'elles sont plus ou moins très énergivores en énergies fossiles non renouvelables, que sont le pétrole ou le gaz, ainsi de fait que cette consommation d'énergie peut aller du simple au double et voire plus selon les cas. Par conséquence, elles sont aussi onéreuses financièrement dans leurs
fonctionnements.
Pour quantifier et mesurer ces consommations d'énergies et les exprimer en
Unité de puissance, le Watt (W) est particulièrement utilisé en matière de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées, aussi les kW/h et les m3 sont très liés par les technologies utiliées. Les consommations sont en moyenne pour un mètre Cube produit d'eau dessalée de 5,7 à 7,5 kW/h/m3 pour les méthodes MED, de 15 à 18 kW/h/m3, voire 25 kW/h/m3, pour les méthodes MSF, mais de 3,5 à 5 kW h/m3 pour les méthodes RO, sachant que 1 tonne équivalent pétrole (1 tep) = 11 628 kW/h. Ces mesures sont aussi généralement exprimées et quantifiées selon le type d'unité d'énergétique utilisée, quelle soit exprimée en unité d'énergie/travail : le
Joule (J) ou en unité de chaleur : la calorie (Cal), [voir la fiche 3 unités de mesure et équivalences annexée dans le document].
Pour subvenir à des besoins importants en eau dans le monde, les usines de dessalement de l'eau de mer construites aujourd'hui sont de capacités de production de plus en plus importante, des méga usines allant de 500 000 m3/jour à 1 000 000 m3/jour et voire certainement plus demain, sachant qu'aujourd'hui pour des raisons de contraintes techniques, elles utilisent des solutions de production mixtes MSF et RO ou MED et RO.
A partir de ces quelques données, il est très facile de comprendre que les quantités d'énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une usine de dessalement pour la production d'eau dessalée impliquent des coûts financiers importants de fonctionnement et cela explique aussi en partie, pourquoi ce type de technologie d'accès à l'eau potable n'est pas à ce jour facilement abordable à bons nombres de pays ou certaines zones géographiques terrestres souffrant de pénurie d'eau ou de stress hydrique pour leurs populations.
Par l'utilisation de l'énergie géothermique, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau permet de remplacer les énergies fossiles consommées aujourd'hui et de les réserver et/ou les destiner selon leurs particularités à d'autres secteurs économiques. La présente invention par son procédé permet de faire des économies de maintenance dûes à la simplicité de son système de fonctionnement, également de rejeter la saumure avec une eau à une température identique à celle des courants marins in situe, et enfin d'éviter les rejets de C02 ou émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Applications complémentaires
La présente invention s'adresse aux méthodes de dessalement de l'eau de mer.
Toutefois, sous une autre forme d'application, il est important de préciser que comme pour le dessalement de l'eau de mer, le procédé technique de l'échangeur de chaleur peut permettre également in fine de produire de l'hydrogène. En effet, l'échangeur de chaleur a pour fonction d'une part de réchauffer l'eau de mer pour la vaporiser à l'atmosphère selon les méthodes de dessalement thermique afin d'obtenir de l'eau douce et d'autre part par cogénération d'obtenir de l'énergie électrique à bas coût.
Avec l'eau et l'électricité, nous avons ainsi les deux éléments essentiel afin d'obtenir de l'hydrogène par électrolyse. L'hydrogène produit par électrolyseur est un hydrogène pur, qui est le plus compatible pour toutes formes d'applications industrielles. De plus, comme pour le dessalement de l'eau de mer, l'échangeur de chaleur de la présente invention, grâce à l'utilisation de l'énergie géothermique, permet d'obtenir des bas coûts de production avec d'importantes capacités de production d'hydrogène. L'échangeur de chaleur en forme d'anneau utilisé à la base pour cette application particulière est identique que celle aux méthodes de dessalement, aussi les revendications du brevet sont identiques.
Une autre utilisation particulière de la présente invention est possible pour ses applications décrites dans les champs techniques ci-dessus. Cette application sera toutefois limitée compte tenu des particularités environnementales et des contextes techniques car elle s'adresse à des zones géographiques proches de champs pétroliers en particulier. Elle en est faite juste mention ici, afin de marquer une antériorité au présent brevet, si cette particularité devait être mise en application.
L'échangeur de chaleur en forme d'anneau pour ces applications générales in fine peut être utilisé et servir de convecteur thermique selon son procédé en utilisant ici l'eau de réinjection qui est utilisée à la base pour augmenter la pression de pompage du pétrole.
Pour ce cas d'application, et plus particulièrement pour le champs pétrolier d'Al Ghawar en Arabie Saoudite, nous pourrions profiter de l'immense nappe aquifère de cette eau de réinjection ainsi constituée depuis la mise en service des puits de pétrole de plus dé 40 ans à ce jour.
L'échangeur de chaleur selon l'invention permet ici de pouvoir traiter cette eau saumâtre afin, d'une part, comme les méthodes de traitement des Reuses ou la réutilisation des eaux usées, de la vaporiser à l'atmosphère, puis de la condenser, pour, in fine, la rendre potable comme les méthodes de dessalement, et d'autre part, de récupérer le pétrole résiduel pouvant rester dans ce type d'eau. Descriptif de l'invention
Pour ses applications, le brevet proposé est simple dans son esprit, sûr dans son principe, modulable dans son fonctionnement et efficace par son positionnement en profondeur in situ en, ceci principalement dans les zones de moyenne ou de haute enthalpie. Pour les travaux de gros œuvres concernant l'installation, l'aménagement et son positionnement dans la roche encaissante Péchangeur de chaleur en forme d'anneau bénéficie de l'expression, de l'art et des techniques des pétroliers dans les domaines de forage, mais également des savoirs faires des maîtres d' œuvres dans les travaux de génie civil dans les secteurs en particulier de percement de tunnels ou de souterrains comme aussi du savoir faire des travaux d'extractions à l'intérieur de mines de natures diverses.
L'énergie géothermique est utilisée avec succès dans deux filières essentielles : l'une pour la production d'électricité et l'autre pour la production de chaleur. Ceci implique que la démonstration de ses capacités en tant que vecteur énergétique n'est plus à démontrer.
Par l'invention, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et son procédé, une troisième filière est ouverte, celle du dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées par transfert direct de chaleur d'un flux géothermique local à un fluide, ici l'eau de mer, et non par le biais de la production d'énergie électrique géothermique pour ensuite pouvoir dessaler l'eau de mer comme d'autres formes de procédés de dessalement.
L'échangeur de chaleur en forme d'anneau proposé ici dans ses applications permet d'obtenir des coûts de production plus bas, comparativement au marché actuel en fonction des capacités de production réalisables avec des grandeurs d'échelles comparables. Sur ces bases, le prix de l'eau douce produite, hormis le coût de l'investissement, les frais d'entretien, de maintenance et d'exploitation sera bas et le restera, malgré les conjonctures sur les stocks et les prix des énergies fossiles, montré dans le tableau comparatif entre les différents procédés de dessalement industriel annexé dans le document.
L'invention est décrite ci-après aux regards des dessins, tableaux et fiches de calculs annexées.
La figure 1 : Donne une vue d'ensemble du principe énoncé de Péchangeur de chaleur en forme d'anneau (a) qui selon sa longueur (L), déterminée en fonction de la capacité de production d'eau dessalée, se positionne à partir du tunnel creusé dans la roche encaissante (b). La couronne ou l'espace de circulation (c) de l'eau de mer se situe entre la paroi de la roche encaissante creusée et la partie externe de l'échangeur de chaleur. La paroi de séparation (d) dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau permet l'écoulement de l'eau dans les deux sens de circulation et se réchauffe dans la couronne de circulation.
La figure 2 : Donne une vue schématique partielle du tunnel de descente pour l'acheminement (e) de l'eau de mer à l'échangeur de chaleur. Percé dans la roche encaissante (f), le tunnel est équipé des tuyaux (g) d'aller, d'alimentation de l'eau de mer, jusqu'à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau (h) et de retour de l'eau de mer chaude jusqu'à la surface pour vaporisation dans l'unité de dessalement adaptée au présent procédé de dessalement par distillation [pour rappel technique, voir les figures 8 et 9 des procédés MSF ou MED] pour passer à l'eau douce et évacuer la saumure. La figure montre également la position d'un réservoir tampon (i) entre les tuyaux de descente et de remontée de l'eau de mer chaude et l'échangeur de chaleur en forme d'anneau.
La figure 3 : Montre également selon l'invention une représentation partielle de modèle simplifié d'échangeur de chaleur en forme d'anneau et son positionnement face au régime thermique local d'une roche encaissante, principalement en moyenne ou haute enthalpie. Le diamètre et la longueur (L) de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau seront variables en fonction de la conjugaison des facteurs et paramètres de gradient et de flux géothermique local, mais aussi des capacités de production d'eau dessalée. La mesure de diamètre donnée ici à titre indicatif dans le schéma correspond à un échangeur de chaleur incluant des capacités de production importante d'eau dessalée.
La figure 4 : Montre en coupe partielle l'échangeur de chaleur en forme
d'anneau, ici un modèle d'échangeur de chaleur unique pour le transfert de chaleur de la roche encaissante à l'eau en circulation dans la couronne ou l'espace de circulation (j) de l'eau de mer, la couronne étant positionnée entre la roche encaissante et la paroi de l'échangeur de chaleur. La paroi de séparation (k) pour la circulation de l'eau se réchauffe dans la couronne d'aller et de retour de l'eau.
Le chemin de passage et de circulation pour la maintenance et les accès aux trappes de maintenance est signalé par (1).
La figure 5 : Montre en coupe transversale partielle l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. La figure montre la couronne (m) ou l'espace de circulation de l'eau entre la roche encaissante et la paroi de l'échangeur de chaleur. La figure montre également le réservoir tampon d'extrémité de l'échangeur de chaleur (n).
La figure 6 : Montre en coupe un modèle double et partiel d' échangeurs de chaleur en forme d'anneau, ici un modèle de deux échangeurs de chaleur, un aller et un retour pour le transfert de chaleur de la roche encaissante à l'eau en circulation dans la couronne (o) ou les espaces de circulation de l'eau de mer. Les chemins de passage de circulation pour la maintenance et les accès aux trappes de maintenance sont signalés par (p).
La figure 7 : Montre en coupe transversale partielle les échangeurs de chaleur double en forme d'anneau. La figure montre les couronnes (q) ou les espaces de circulation de l'eau entre la roche encaissante et la paroi des échangeurs de chaleur avec un réservoir tampon d'extrémité unissant les échangeurs de chaleur en forme d'anneau positionnés en parallèles dans la roche encaissante.
La figure 8 : A pour but uniquement de montrer et pour mémoire un schéma technique de procédé de dessalement de l'eau de mer par distillation de Multi Stage
Flash (MSF).
L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention, qui est alimenté par énergie géothermique, se substitut à la centrale thermique utilisée actuellement et alimentée en énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une unité MSF.
La figure 9 : A pour but uniquement de montrer et pour mémoire un schéma technique de procédé de dessalement de l'eau de mer par distillation de Multi Effect Distillation (MED). L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention, qui est alimenté par énergie géothermique, se substitut au centrale thermique utilisée actuellement et alimentée en énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une unité MED.
La figure 10 : Fiche d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Le graphique montre des exemples où la distance horizontale est déduite d'une température centrale donnée.
Les figures 11 & 12 : Fiches de données d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Le graphique de la figure 11 montre la température au centre du tube en fonction de sa longueur pour différents débits imposés. Les courbes montrent les différentes températures de la roche encaissante. Le point encerclé dans la figure du bas est décrit dans le texte.
Le graphique de la figure 12, qui se réfère à la solution de M. A Lévêque, montre les lois de la transmission de la chaleur par convection (Ann. Mines Mem. Serv., 13,
201-209, 305-362, 381-415, 1928.) et peut également s'illustrer en reportant de façon similaire la température de sortie en fonction de la longueur de la conduite, mais en faisant varier cette fois-ci le débit, et ce pour des températures de paroi données. Le tableau comparatif annexé dans le document permet de montrer selon les rubriques les différences et les avantages entre les systèmes de dessalement de l'eau de mer utilisant les énergies fossiles pour leurs fonctionnements et le procédé utilisant l'énergie géothermique à partir de la présente invention d'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Dans le tableau comparatif, le procédé de dessalement de l'eau de mer utilisant le procédé de la présente invention est dénommée O'DEEP.
La fiche 1 : fiche de calculs annexée dans le document montre la faisabilité technique du procédé, en particulier la possibilité de faire remonter l'eau de mer chaude en s'assurant qu'elle ne perd qu'une faible partie de sa température de manière à répondre au procédé posé.
Les fiches 2 et 2a : annexées dans le document montrent des graphiques
d'applications à l'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon le débit de production d'eau dessalée.
La fiche 3 : annexée dans le document montre les principales unités de mesure utilisées dans les calculs de consommation énergétique dans les domaines industrielles du dessalement de l'eau de mer et de calculs géologiques de gradient ou de flux géothermique.
Principe technique et fonctionnement :
Pour son application de fonctionnement et pour transférer la chaleur de la roche encaissante à l'eau de mer, l'échangeur de chaleur utilise essentiellement, nous l'avons vu, la géothermie de moyenne ou haute enthalpie selon les gradients de température. Emmagasiné dans la lithosphère, l'énergie géothermique offre une grande quantité d'énergie constituant un potentiel énergétique accessible sous certaines conditions, et son flux thermique est exprimé en W/m, voir la fiche 1 de calculs et des
équivalences annexée dans le document.
Chaque site est caractérisé par son gradient de température exprimé en °C/km.
L'exploitation des mines a notamment mis en évidence le fait que la température augmente progressivement avec la profondeur : les zones non thermiques qui ont des gradients de température s'échelonnant de 10 à 40°C/km, les zones semi-thermiques s'élevant jusqu'à 70°C/km et les zones hyperthermiques qui représentent des gradients de température plusieurs fois supérieurs.
Selon l'invention, l'échangeur de chaleur en forme couronne est formé par un tube séparé en deux demi lunes [figure 1, 4 et 5], cette forme sera le plus souvent préconisée pour permettre la circulation du fluide, l'eau de mer, d'un coté en sens aller et de l'autre côté en sens retour pour vaporisation en surface. Toutefois, selon les particularités des paramètres géothermiques sur site, il sera amené à ce que l'échangeur de température soit constitué de deux échangeurs de chaleur en forme d'anneau positionnés et installés en parallèle dans la roche encaissante. Un échangeur de chaleur avec sa couronne de circulation du fluide l'eau de mer en sens aller et un second échangeur de chaleur avec sa couronne de circulation du fluide l'eau de mer en sens retour [figure 6 et 7].
L'échangeur de chaleur a la forme d'un tube, avec un diamètre variable selon la quantité d'eau de mer à dessaler et une longueur (L) [figure 3 du modèle simplifié] qui sera définie par les calculs fournis à partir des indications géologiques et des paramètres géothermiques lors des études de faisabilités in situ. Pour un meilleur rendement thermique et élément caloporteur, l'échangeur de chaleur est constitué en matériaux composites, comme peuvent l'être les résines polyester ou vinylester avec des liners thermoplastiques résistants à de fortes différences de températures positives allant au delà de 200°C, soit bien supérieur aux températures géothermiques qui sont nécessaires dans la cadre de l'invention.
Pour l'application du procédé d'échangeur de chaleur qui nous concerne ici, l'eau de mer devant atteindre une température d'environ 115/120°C pour être vaporisée à l'atmosphère. Il sera toujours possible que la température de vaporisation évolue en fonction de la pression atmosphérique naturelle ou technique impliquée.
L'utilisation de matériaux composites pour l'échangeur de chaleur permet des polyvalences d'utilisation parfaitement maîtrisées aujourd'hui par les gens de l'art. L'échangeur de chaleur est préfabriqué par élément et assemblé sur site dans le tunnel de positionnement de l'échangeur de chaleur.
Préalablement, pour permettre l'acheminement de l'eau de mer en importante Quantité jusqu'à l'échangeur de chaleur et de circuler dans la couronne entre la roche Encaissante et l'échangeur de chaleur, un tunnel [figure 2] sera percé par le moyen d'un tunnelier équipé selon le type de roche, sur une pente d'environ 30° jusqu'à la profondeur du gradient géothermique nécessaire à l'application. Le tunnel est aménagé et équipé de tuyaux résistants à la corrosion, ainsi qu'en pompes et en vannes en nombres nécessaires pour l'acheminement de l'eau de mer, selon les capacités de production d'eau à dessaler. Le tunnel aménagé en fonction des quantités d'eau à dessaler permet à l'eau de mer de descendre jusqu'à l'échangeur de chaleur et ensuite de remonter à la surface pour être vaporisée dans l'unité de dessalement de l'eau de mer.
L'échangeur de chaleur est équipé à chacune des extrémités d'un réservoir tampon pour le transfert de l'eau de mer entre les tuyaux de descente et de remontée du fluide et l'échangeur de chaleur qu'il soit sous forme d'un tube unique ou double. Dans la partie avant de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, le réservoir tampon sert de raccord entre les tuyaux d'acheminement de l'eau de mer de la surface jusqu'à l'échangeur de chaleur situé en profondeur dans la roche encaissante.
Il permet également dans cette même phase de canaliser l'eau de mer jusqu'à la couronne de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Toujours dans la partie avant de l'échangeur de chaleur, le réservoir tampon permet de canaliser l'eau de mer chaude après circulation dans l'échangeur de chaleur vers les tuyaux de remontés à la surface pour que l'eau de mer à température nécessaire selon les applications soit vaporisée à l'atmosphère. Le réservoir tampon avant est séparé en deux pour permettre la circulation de l'eau de mer dans le sens aller/retour.
Dans la partie arrière de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau, le réservoir tampon installé ne sert lui que pour le transfert à l'aller et au retour de l'eau de mer qui se charge en température pendant son passage dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau sur toute sa longueur [figure 5 et 7].
L'invention, échangeur de chaleur en forme d'anneau, est une conduite en couronne [figure 1] avec un diamètre externe variant selon la capacité d'eau de mer à dessaler, pouvant aller de 6 mètres à 10 mètres et un diamètre interne de (10-2d) m, d variant entre 0,15 et 0,10 m [figure 3]. De l'air remplit la partie interne de la conduite de l'échangeur de chaleur . Cette même partie interne de l'échangeur permet par son centre d'installer et équiper un chemin de passage pour les interventions de maintenance. Egalement pour ces interventions de maintenance, des trappes d'accès à la couronne de circulation et tout le long de l'échangeur ont pour but lors des périodes de maintenance de permettre le dégagement éventuel de tous corps ou dépôts étrangers qui pourraient s'accumuler dans la couronne lors de circulation de l'eau de mer de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. La géométrie et la largeur de la couronne de circulation de l'eau de mer sont calculées afin que l'écoulement de l'eau de mer dans le milieu environnant évite des turbulences thermiques où des processus de transfert de chaleur interagissent, tel que les phénomènes :
-De Prandtl , le nombre de Prandtl correspond au rapport établit entre la diffusion de la chaleur dépendante et des propriétés spécifiques du fluide.
-De Reynolds, qui exprime les interactions entre les propriétés du fluide et sa vitesse de circulation. Le nombre de Reynolds décrit le rapport des forces inertes sur les forces visqueuses.
-De Peclet, qui est le produit des nombres de Prandtl et de Reynolds, et correspond au rapport entre la chaleur advectée (transportée par mouvement) et la chaleur diffusée.
-Enfin le nombre d'Eckert, qui est le rapport de l'énergie cinétique sur l'énergie interne.
L'eau de mer est injectée à 20°C à une vitesse donnée jusqu'à Péchangeur de chaleur à la profondeur de circulation, qui est déduite du régime thermique local. Les échanges thermiques se produisent alors entre l'eau de mer et la roche encaissante, jusqu'à ce qu'après une circulation de longueur (L) la température de 120°C soit atteinte. L'eau de mer ainsi réchauffée est alors récupérée en surface dans la phase liquide, sans aucun échange de chaleur supplémentaire. Les chemins verticaux de Péchangeur de chaleur sont adiabatiques.
Le régime thermique local est contrôlé par la température de surface et le flux de chaleur crustal profond (voir fiche de calcul dans le document). Les propriétés thermiques de la roche et de l'eau de mer, de même que la vitesse du fluide, caractérisent les processus de transfert de chaleur entre la roche et l'eau qui circule. A la profondeur de circulation, c'est-à-dire à profondeur fixée pour l'application fonctionnelle de l'échangeur de chaleur selon l'invention, et avant que la circulation commence, la température de la roche est logiquement constante.
L'eau de mer est injectée â un débit volumique constant selon les capacités d'eau à dessaler. Les conditions de pression sont telles que la vaporisation est évitée au sein de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau.
Le transfert de chaleur ou le contact thermique de la roche encaissante à l'eau de mer circulant dans la couronne se produit entre la roche et la surface externe de l'échangeur de chaleur qui est parfaitement isolante par l'emploi de matériaux composites.
En résumé, le brevet d'échangeur de chaleur en forme d'anneau proposé est simple dans son esprit, dans son principe et il est modulable dans son fonctionnement. Pour exprimer pleinement son fonctionnement, l'échangeur de chaleur est installé et positionné directement dans la roche encaissante en moyenne ou haute enthalpie par des travaux d'aménagement comme décrit auparavant dans le document. Dans sa fonction, en utilisant directement les ressources énergétiques du flux géothermique in situ, c'est-à-dire par le transfert de chaleur par convection d'un corps chaud vers un corps plus froid qui est l'eau de mer acheminée jusqu'à l'échangeur de chaleur selon son procédé.
Pour ses pleines fonctions de mouvement convectif de chaleur, l'eau de mer est acheminée jusqu'à la zone de convection thermique de l'échangeur de chaleur. Le transfert de chaleur par convection est plus rapide et plus important que
par d'autres formes de transfert de chaleur comme la conduction ou le rayonnement.
Pour utiliser l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et pour permettre de
^ dessaler l'eau de mer, la chaleur du sous-sol exploitable et le potentiel de chaleur accumulé sont considérables, 99% du volume de la planète ont une température supérieure à 1000°C (source :BRGM). Enfin l'énergie géothermique, soit la chaleur du sous sol de la Terre, qui provient de la désintégration d'isotopes comme l'uranium, le thorium et le potassium, représente «50.000 fois l'énergie de toutes les réserves de gaz et de pétrole» (données : Earth Policy Institute).
Par son procédé, l'échangeur de chaleur en forme d'anneau en utilisant l'énergie géothermique et étant associé aux méthodes de dessalement permettrait d'obtenir des coûts de production encore plus bas qu'à ce jour, de pouvoir substituer les énergies fossiles utilisées aujourd'hui et ainsi de les réserver à d'autres secteurs économiques à valeurs ajoutées, de pouvoir faire des économies de maintenance par de nouveaux systèmes de fonctionnement moins contraignants, de rejeter la saumure dans une eau non chaude à la mer et de répondre comment participer technologiquement à la réduction des émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Figure imgf000020_0001
(*) mais coût important pour la partie distillation.
Tableau comparatif Fiche 1 de calculs de faisabilité
Chaleur latente nécessaire de vaporisation de l'eau de mer :
L'échangeur de chaleur en forme d'anneau en utilisant l'énergie géothermique permet de se substituer aux énergies fossiles.
Elle varie avec la température, comme l'indique le tableau ci-dessous.
Figure imgf000021_0001
La chaleur spécifique de l'eau de mer est inférieur de quelques pour cent de celle de l'eau pure, et ceci d'autant plus que la concentration de sel est élevée.
Evaluation de température :
Formule de calcul d'évaluation de température d'une ressource géothermique. En surface, la température de la Terre est étroitement liée à celle de l'air environnant. Les variations climatiques n'ont plus d'incidences au-delà de quelques mètres.
L'évaluation de la température d'une ressource géothermique en fonction de la profondeur, se calcule selon la formule suivante : Tp = Ts + Gr x P
Tp : Température en °C à une profondeur donnée
Ts : Température moyenne du sol en surface en surface (selon la zone géographique, exemple en France de l'ordre de 10 - 12 °C)
Gr : Gradient de température en °C/km
P : Profondeur en kilomètre
Le flux géothermique est exprimé en W/m. La nature des roches contenues dans les formations géologiques et notamment leur conductivité thermique peut faire varier le flux de chaleur résultant. Pour le granité, la conductivité thermique varie de 2,5 à 3,8 W/m/°K.
Tableau d'équivalence ci après. Méthode de calcul de la ressource géothermale disponible :
La ressource géothermale est définie, comme étant la part de la ressource accessible qui peut être extraite écologiquement et également à un moment spécifique dans le futur (Muffler et Cataldi, 1978). Afin de qualifier cette ressource, nous devons définir la quantité de chaleur disponible dans la roche constituant le réservoir géothermique et les caractéristiques de ce réservoir en termes d'extraction de la chaleur (Atlas of Geothermal Resources, travaux de Muffler et Cataldi, 1978).
L'estimation de la ressource géothermale est basée sue la chaleur contenue dans un volume de réservoir poreux dont l'énergie géothermale est supposée être exploitée par doublet. Le potentiel géothermique calculé représente une valeur théorique, c'est-à-dire la valeur maximale d'énergie disponible dans le sous-sol. Il s'agit d'une valeur initiale qui sert de base pour toutes les autres estimations sur le potentiel du sous-sol (potentiel technique, potentiel économique). L'énergie ou la chaleur contenue dans un réservoir dépend essentiellement de sa température et de son volume, c'est-à-dire de l'épaisseur du réservoir.
Cette énergie correspond à la chaleur extraite du réservoir. Cette énergie Q est donnée comme ci-dessous dans le tableau d'exemple avec les paramètres détaillés de calcul de la quantité de chaleur contenue dans un volume de roche de type grès.
Q=p CP V (Ti - Tf) en joule
Figure imgf000022_0001
Les grandeurs p et CP sont dépendantes de la nature de la roche et peuvent varier
régionalement avec la profondeur. Table d'équivalences V/m
W = Watt - mW = milli Watt - μ\Υ = micro Watt μW m2 W/m2 mW/m2 W/cm2 V/ m μW m2 W/m2 mW/m2 μW/cm2 V / m
10000 000 10 10.000 1.000 61,400 9000 0,009 9 0,9 1,842
9000 000 9 9.000 900 58,249 8 000 0,008 8 0,8 1,737
8 000 000 8 8.000 800 54,918 7 000 0,007 7 0,7 1,624
7000 000 7 7.000 700 51,371 6000 0,006 6 0,6 1,504
6000 000 6 6.000 600 47,560 5000 0,005 5 0,5 1,373
5 000 000 5 5.000 500 43,417 4000 0,004 4 0,4 1,228
4000 000 4 4.000 400 38,833 3 000 0,003 3 0,3 1,063
3 000000 3 3.000 300 33,630 2000 0,002 2 0,2 0,868
2000 000 2 2.000 200 27,459 1 000 0,001 1 0,1 0,614
1 000 000 1 1.000 100 19,416 900 0,0009 0,9 0,09 0,582
900 000 0,9 900 90 18,420 800 0,0008 0,8 0,08 0,549
800 000 0,8 800 80 17,367 700 0,0007 0,7 0,07 0,514
700 000 0,7 700 70 16,245 600 0,0006 0,6 0,06 0,476
600 000 0,6 600 60 15,040 500 0,0005 0,5 0,05 0,434
500 000 0,5 500 50 13,730 400 0,0004 0,4 0,04 0,388
400000 0,4 400 40 12,280 300 0,0003 0,3 0,03 0,336
300 000 0,3 300 30 10,635 200 0,0002 0,2 0,02 0,275
200 000 0,2 200 20 8,683 100 0,0001 0,1 0,01 0,194
100000 0,1 100 10 ; 6,140» 90 0,00009 0,09 0,009 0,184
90 000 0,09 90 . 5,825 80 0,00008 . 0,08 ^ 0,008 0,174
80000 0,08 80 8 5,492· 70 0,00007 0,07 0,007 . 0,162
70 000 0,07 70 7 ; 5,137 60 0,00006 0,06 0,006 0,150
60 000 0,06 60 6 4,756 50 0,00005 0,05 0,005 0,137
50 000 0,05 50 5 4,342' 40 0,00004 0,04 0,004 0,123
40 000 0,04 40 4 3,883 30 0,00003 0,03 0,003 0,106
30 000 0,03 30 3 3,363 20 0,00002 0,02 0,002 0,087
20 000 0,02 20 2 2,746 10 0,00001 0,01 0,001 0,061
10000 0,01 10 1 1,942
Fiche 2 applications à l'échangeur de chaleur.
Les résultats similaires à ceux montrés en figurelO sont mis à l'échelle en fonction de la production d'eau dessalée. La Figure 10 ci dessous montre une série de courbes pour 3 débits Φ différents, et pour un rayon de tube de 0.075m. Le débit modifie le nombre de Peclet puisqu'à un débit est associé une vitesse. Pour un débit donné, la température à la profondeur d'emplacement de la conduite a été variée. La température est dimensionalisée en utilisant les conditions thermiques, à savoir T=0 à l'entrée de la conduite, et T=Twaii à la paroi :
T(°C)=T0 + (Twali - T0) x T* = 20 + (Twaii - 20) χ 7* (14)
où T * correspond à la température. Il n'y a pas de perte de chaleur en dehors l'échangeur de chaleur et la roche encaissante n'est pas refroidie par l'eau de mer en circulation.
La figure 10 : Montre des exemples où la distance horizontale est déduite d'une température centrale donnée. Par exemple, le cercle bleu correspond au point (x*/Pe = 0.03; Tcentre = 0.70), c'est-à-dire que l'écart entre la température au centre du tube et la température d'injection atteint 0.7 fois l'écart entre la température de la paroi et la température d'injection (ou plus exactement le rapport de l'équation 11 vaut 0.7) à la distance :
x = R. x*, soit x = R . Pe .0.03 = 0.03. 0.075. 5 105 = 1125 m.
Fiche 2a graphiques selon le débit de production d'eau dessalée.
Légende des figures 10, 11 et 12
Par exemple, si le débit est de 10 puissance 6 m3/jour (figure du bas, courbes de droite), si la température à la profondeur d'emplacement est de 140°C (courbe bleu ciel), alors il faut 9 km de conduite cylindrique pour retrouver 120°C en sortie (cercle noir). Pour un débit de 200,000 m3/jour, des conditions similaires nécessiteraient uniquement 1800 m de conduite
cylindrique.
Puisque ces courbes sont réalisées pour une conduite cylindrique, en appliquant un facteur 2 de correction géométrique pour une conduite annulaire, cela donnerait 18 km et 3.6 km pour les estimations précédentes.
Fiche 3 unités de mesure et équivalences
Unités de puissance :
Le Watt, de symbole (W) est l'unité internationale de puissance, de flux énergétique et de flux thermique. Un watt est la puissance d'un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est transférée uniformément pendant 1 seconde.
Le Wattheure (Wh) est l'unité d'énergie ou de travail, équivalent au travail pendant une heure par une machine dont la puissance est de 1 kilowatt (1 000 W). Mais dans d'autres situations, on préfère utiliser en particulier le joule soit le travail fourni par une puissance d'1 Watt pendant 1 seconde. 1 kW/h est égal à 3,6 mégajoules (MJ).
1 Watt heure = 1 W/h
1 000 Watt heure = 1 kilowatt heure = 1 kW/h
1 000 000 Watt heure = 1 mégawatt heure = 1 MW/h = 1 000 kW/h
1 000 000 000 Watt heure = 1 gigawatt heure = 1 GW/h = 1 000 MW/h
1 000 000 000 000 Watt heure = 1 térawatt heure = 1 TW/h = 1000 GW/h
1 watt (W) = 1 joule/seconde
1 watt heure (W/h) = 3 600 J
1 kilowatt heure (kW/h) = 3,6 X 10 puissance 6 J
1 mégawatt heure (MW/h) = 3,6 X 10 puissance 9 J = 3,6 gigajoules
1 mégajoule (MJ) = 10 puissance 6 J
1 gigajoule (GJ) = 10 puissance 9 J
1 térajoule (TJ) = 10 puissance 12 J
1 pétajoule = 10 puissance 15 J
1 exajoule = 10 puissance 18 J
1 erg = 10 puissance - 7 J
Unité d'énergie :
Le joule, de symbole (J) est l'unité de travail, d'énergie et de quantité de chaleur, équivalent au travail produit par une force de 1 Newton (de symbole (N) le newton est la force qui communique à un corps ayant une masse de 1 kg une accélération de 1 m/seconde) dont le point d'application se déplace de 1 mètre dans la direction de la force.
1 kilojoule (kJ) = 1 000 J (10 puissance 3 J)
1 mégajoule (MJ) = 1 000 kJ (10 puissance 6 J)
1 gigajoule (GJ) = 1 000 MJ (10 puissance 9 J)
1 térajoule (TJ) = 1 000 GJ (10 puissance 12 J)
1 pétajoule (PJ) = 1 000 TJ (10 puissance 15 J)
1 exajoule (EJ) = 1 000 PJ (10 puissance 18 J)
1 MJ = 0,278 kW/h L'unité officielle d'énergie est le joule (J) mais, parce que le pétrole est l'énergie dominante, les énergéticiens utilisent la tonne d'équivalent pétrole (tep) ou quelque fois la tonne d'équivalent charbon (tec).
Les coefficients d'équivalences permettent conventionnellement de comparer dans une unité commune (tep : tonne équivalent pétrole), des quantités d'énergie de natures diverses.
Tonne équivalent pétrole (tep) 1 tep = 11,628 kWh
1 baril de pétrole (bbl) = 159 litres - 136 kg
Baril équivalent pétrole (bep) 1 tep = 7,3 bep
1 kWh 100 g d'essence ou gasoil
1 tep 1 000 m3 de gaz naturel
Gaz naturel = le m3 ou la BTU (British Thermal Unit = 1 055,06 J)
Unité thermique :
La calorie de symbole (cal) est l'unité de quantité de chaleur, équivalent à la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1°C la température de 1 gramme d'eau.
1 cal = 4, 187 joules.
1 tonne équivalent pétrole (tep) = 10 034 Mcal ou 41,87 GJ ou encore 11,628 MW/h
Autre équivalences :
1 tonne équivalent charbon (Tec) = 7 000 Mcal = 29 GJ
1 GTep = 1 milliard de tonnes équivalent pétrole
Capacité:
US gallon (US gai) = 3,785 litres
Impérial gallon (UK gai) = 4,546 litres
US barrel petroleum (US bbl) = 158,987 litres = 42 US gallons

Claims

Revendications
1 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau concernant des méthodes de dessalement de l'eau de mer ou des eaux usées afin de produire de l'eau douce par un procédé géothermique avec cogénération est caractérisé en ce qu'il comporte les éléments et les vecteurs de conception suivants : L'échangeur de chaleur en forme d'anneau pour ses fonctions se présente selon les paramètres de disponibilité de flux de gradient géothermique in situ dans la roche encaissante de moyenne ou haute enthalpie, soit sous la forme :
.1)- d'un tube séparé en deux demi lunes pour un échangeur de chaleur en forme d'anneau simple tube de circulation de fluide l'eau de mer.
2)- ou par deux tubes parallèles pour un échangeur de chaleur en forme d'anneau double tube de circulation de fluide l'eau de mer.
Les deux modèles proposés selon les options techniques déterminées à partir des paramètres de gradient géothermique in situ ont la même fonctionnalité de procédé. Ils permettent la circulation du fluide l'eau de mer dans la couronne ainsi formée entre la face externe de l'échangeur de chaleur concerné et la paroi de la roche encaissante découverte après le percement d'un tunnel d'acheminement de l'eau de mer pour y être réchauffée.
2- L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé dans sa forme par une dimension atteignant plusieurs mètres de diamètre et d'une longueur variable qui peut dépasser le kilomètre, selon les données et les paramètres, fournis à partir des calculs de capacités de production d'eau à dessaler possibles et souhaitées, ainsi que des facteurs thermiques de flux de gradient géothermique. 3 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé par une conduite en couronne permettant la circulation et la
canalisation du fluide, l'eau de mer, pendant sa phase de réchauffement par convection lors de son passage dans la couronne de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau et du réservoir tampon.
4 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 3 est caractérisé du fait de sa fonction et de sa forme, en utilisant directement les ressources énergétiques d'un flux géothermique de sous-sol en moyenne ou haute enthalpie, c'est-à dire par le transfert de chaleur par convection d'un corps chaud vers un corps plus froid qui est ici l'eau de mer.
5 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon la revendication 1 est caractérisé par le fait que son procédé de fonctionnement utilise l'énergie
géothermique en lieu et place des énergies fossiles telles que le gaz ou le pétrole.
6 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon les revendications 1, 2 et 3 du fait de sa fonction de procédé technique est équipé d'un réservoir tampon à chaque extrémité selon le modèle de l'échangeur, que ce soit sous forme d'un tube unique ou double. Un réservoir tampon avant, est placé entre les tuyaux de descente et de remontée de l'eau de mer chaude et l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Un autre réservoir tampon au bout de l'échangeur de chaleur en forme d'anneau ne sert uniquement qu'à faciliter l'écoulement de l'eau de mer réchauffée dans les deux sens de circulation dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. 7 - L'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon les revendications 1, 2, 3 et 4 comme mentionné dans le texte, positionné dans la roche encaissante, est alimenté du fluide salé par des tuyaux de sections différentes entre les tuyauteries de descente en eau de mer à température de l'eau prélevée en surface ou en profondeur selon et les tuyauteries de remontés de l'eau de mer réchauffée après circulation dans la couronne de l'échangeur en forme d'anneau. A partir de là, l'eau de mer chaude est vaporisée à l'atmosphère. La vitesse de circulation de l'eau de mer en descente jusqu'à l'échangeur est inférieure à la vitesse de l'eau de mer chaude lorsque qu'elle remonte, ainsi elle peut emmagasiner des calories dans sa phase de descente et en opposition en perdre le moins possible à la remontée après passage dans l'échangeur de chaleur en forme d'anneau. Les tuyaux de remonté de l'eau de mer chaude pour vaporisation en surface seront conçus en matériaux calorifères. L'énergie
géothermique pour fonctionnement selon l'invention permet d'obtenir des coûts de production de dessalement de l'eau de mer et/ou des eaux usées inférieurs que ceux affichés ce jour selon les techniques actuelles, ceci même pour les moins énergivores. Aujourd'hui les coûts de production d'eau dessalée et les prix de l'énergie sont étroitement liés, quelque soit les méthodes par distillation ou osmose inverse.
L'énergie géothermique utilisée pour l'échangeur de chaleur en forme d'anneau selon l'invention permet de gommer ces effets de prix.
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