WO2015004389A1 - Dispositif de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique - Google Patents

Dispositif de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique Download PDF

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Definitions

  • Diphasic expansion device capable of maximizing the amount of movement produced by a two-phase flow
  • the present invention relates to a device for the two-phase expansion with good efficiency of a high saturation flow rate of a hot liquid with low vapor density at operating temperatures of the device. It is particularly applicable to the conversion of thermal energy into mechanical energy between a hot source and a low temperature difference cold source and more particularly to the thermal energy of the sea (ETM).
  • ETM thermal energy of the sea
  • the thermal energy of the seas is the difference in temperature between the surface layers and the deep layers of the oceans which reaches nearly 20 ° C in the intertropical zones.
  • the energy is recovered by simple hydraulic turbining of the liquid phase.
  • the term "mistlift” will hereinafter denote the process by which droplets of hot fluid are raised against gravity by their own vapor under the effect of the vapor pressure difference between the hot bottom portion and the cold top portion. of the device.
  • Fog generator proposed inefficient with a significant loss of energy during the initial flash vaporization and a coupling vapor / droplets inefficient during the acceleration phase, associated with significant pressure drops, all of these factors resulting in a loss of energy. overall effectiveness of the device very limited.
  • the device according to the invention makes it possible, among other things, to provide an answer to the difficulties related to the devices that have been proposed in the prior art by proposing a solution adapted to an efficient two-phase expansion of a low-temperature fluid in which the dispersed phase consists of drops of very small dimensions (diameter from about ten microns to a few millimeters), then called droplets, microdroplets or microdroplets, and the continuous phase of its own vapor, the fluid having very low vapor density at the temperature considered (eg water at 28 ° C). It makes it possible to obtain a good mechanical coupling between the vapor and the droplets and to accelerate the droplets with a good efficiency by limiting the pressure losses of the flow.
  • the device can be integrated in a power conversion device using the mistlift process or in a rotating machine using the two-phase jet reaction.
  • the invention proposes a two-phase expansion device capable of maximizing the amount of movement produced by a two-phase flow coming from the expansion of a large saturation flow of a fluid coming from a so-called hot source.
  • the two-phase expansion device comprises at least:
  • a dispenser for distributing the fluid from the hot source to a plurality of two-phase expansion nozzles
  • each nozzle comprising successively at least one convergent, a neck and a tube and the nozzles being arranged to receive each a portion of the flow from the hot source;
  • the two-phase expansion device thus makes it possible, in particular at the same time to work with high flow rates because of the use of the multitude of two-phase expansion nozzles while controlling the expansion of the vapor during the relaxation, a source of loss of charge and therefore efficiency.
  • the two-phase expansion device may have the following characteristics, alone or in combination:
  • the neck section of at least one two-phase expansion nozzle is designed to produce a liquid jet
  • the neck section of the at least one diphasic expansion nozzle for producing a liquid jet is circular or square in shape
  • the neck section of at least one two-phase expansion nozzle is designed to produce a liquid web
  • the neck section of the at least one two-phase expansion nozzle for producing a liquid web is in the form of an elongated slot
  • At least one of the two-phase expansion nozzles comprises a mixing element downstream of the neck
  • the space between the two-phase expansion nozzles at the tube outlet is minimized by means of a suitable nozzle outlet geometry, so that the outlet of the tube of a first two-phase expansion nozzle is in contact with the outlet of the tube a second diphasic expansion nozzle adjacent to the first two-phase expansion nozzle.
  • liquid from a so-called cold source at a temperature lower than that of the hot source, and intended to condense the vapor produced is ejected in the form of a spray from the space available between the two-phase expansion nozzles at the outlet of the tube two-phase expansion nozzles with a high velocity component in the direction of the two-phase flow exiting the two-phase expansion nozzles;
  • the two-phase expansion device comprises extension elements with a variable section at the outlet of the tube of the two-phase expansion nozzles making it possible to ensure a continuity of the sectional variation of the two-phase flow from the outlet of the tube of the two-phase expansion nozzles to the outlet of the common divergent duct extending the two-phase expansion nozzles;
  • the means for maintaining the plurality of two-phase expansion nozzles comprises a plate, the two-phase expansion nozzles being machined in the plate or molded with the plate;
  • the means for maintaining the plurality of two-phase expansion nozzles comprises means for welding or for gluing the two-phase expansion nozzles together.
  • the invention proposes a "Hero" type turbine comprising at least one two-phase expansion device as presented above, at the end of at least one of its arms.
  • the invention provides an action type turbine comprising at least one two-phase expansion device as presented above as an injector.
  • the invention proposes an energy conversion device using the mistlift method comprising at least one two-phase expansion device as presented above to produce and accelerate the droplets of hot liquid, the conversion device using the mistlift method comprising means for fluid connection with a hot source and means for fluid connection with a cold source.
  • the hot source is, for example, hot water at a first depth below the surface of the ocean and the cold source is cold water at a second depth greater than the first depth below the surface of the ocean.
  • FIG. 1 represents, from the prior art, a diagram showing the mistlift device as presented in US Pat. No. 4,441,321;
  • FIG. 2 represents, in the prior art, a diagram showing a device for the mistlift process
  • FIG. 3 represents, from the prior art, a diagram representing a "Hero" type turbine, each arm carrying a fog accelerator;
  • FIG. 4 represents a diagram showing a detailed view of the end of the "Hero" turbine arm shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 represents, from the prior art, a diagram showing a vertical sectional view of the fog generating part of the devices represented in the preceding figures;
  • FIG. 6 represents, in the prior art, a schematic diagram of a diphasic expansion nozzle
  • FIG. 7 represents, from the prior art, a schematic diagram of a two-phase expansion nozzle comprising a mixing element as presented in the document FR 2 944 460;
  • FIG. 8 represents an embodiment of the two-phase expansion device of the present invention, the whole of the expansion being made in a multitude of two-phase nozzles;
  • FIG. 9 represents an embodiment of the two-phase expansion device of the present invention, a part of the expansion being made in a multitude of two-phase nozzles and the other part in a suitable conduit;
  • Figures 10a and 10b respectively show a top view and a partial sectional view of an embodiment of the two-phase expansion device of the present invention, the space between nozzles at the nozzle outlet being minimized;
  • FIGS. 11a and 11b respectively show a top view and a partial sectional view of an embodiment of the two-phase expansion device of the present invention, extension elements being inserted into the duct extending the nozzles;
  • FIGS. 12a and 12b respectively show a top view and a partial sectional view of an embodiment of the two-phase expansion device of the present invention, a liquid sheet being generated at the outlet of the neck of the nozzles;
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of a device for converting thermal energy into mechanical energy using a "Hero" type turbine, which is provided with a two-phase expansion device according to FIG. 9;
  • Fig. 14 is a longitudinal sectional view of the conversion device of Fig. 13;
  • Figure 15 is a top detail view of the end of an arm of the "Hero" type turbine of Figures 13 and 14;
  • Figure 16 is a view similar to that of Figure 14, for an alternative embodiment of the conversion device.
  • the devices represented and described in the various figures are adapted for ⁇ , namely that the hot fluid designated by hot water is in this case seawater extracted at the surface at a temperature which can vary in general between 22 ° C and 30 ° C and the cold fluid designated cold water seawater extracted depths (usually between 500 and 1500m depth) and at a temperature between 5 ° C and 10 ° C, conditions found, for example, in the oceans of intertropical zones.
  • the hot fluid designated by hot water is in this case seawater extracted at the surface at a temperature which can vary in general between 22 ° C and 30 ° C and the cold fluid designated cold water seawater extracted depths (usually between 500 and 1500m depth) and at a temperature between 5 ° C and 10 ° C, conditions found, for example, in the oceans of intertropical zones.
  • the devices described could of course operate in a different context than ⁇ with hot and cold fluids different from seawater (for example with geothermal energy and hot water coming from the basement and cold water coming from of a river, or with industrial heat recovery) or at temperatures substantially different from those indicated above with the condition of adaptations to the device obvious to a specialist.
  • the present application includes these other uses and / or other fluids.
  • the following table gives examples of recoverable heat temperature levels, i.e. the temperature of the hot fluid, in various industrial applications in which the device of the present invention could be used.
  • FIG. 1 represents the mistlift process described in US 4,441,321
  • the hot water 45 taken near the surface 49 of the ocean is ejected with an upward vertical speed by a fog generator 41 to produce a multitude of micro droplets 43 in a chamber 46 in which a high vacuum is maintained.
  • the steam is then relaxed in a vertical divergence where it communicates part of its energy to the water droplets by raising them against gravity in an acceleration zone 40.
  • This cold water spray makes it possible to gradually condense the steam in the upper part of the enclosure 46.
  • the set consisting of cold water spray, hot water droplets and the remaining vapor converges at the top of the chamber 46 to form a liquid jet.
  • the liquid part is released into the ocean.
  • a vacuum pump 47 makes it possible to evacuate the non-condensables out of the enclosure 46.
  • the energy of the device is recovered by means of a hydraulic turbine 42 inserted into the hot water supply channel.
  • this device has the disadvantage of requiring very large steam passage sections associated with very large heights. Indeed, given the very low density of the steam and its initial speed necessarily limited, the pressure upstream of the fog generator is reduced by the pressure drop due to the hydraulic turbine. For example, such a 4 MW device for ⁇ would be 20m in diameter for nearly 100m high.
  • the fog generator and acceleration zone assembly is one of the key elements of the device, since it involves transforming the thermal energy contained in the water into kinetic energy for the vapor (by relaxation), itself communicated. in large part to the droplets by the steam.
  • the device according to the invention constitutes a new concept of the fog generator and accelerator zone assembly and in particular makes it possible to improve its efficiency.
  • the droplets will have to travel a long distance in the enclosure 46 with a very high probability of collision between the droplets themselves or with the walls. Indeed, although initially homogeneous, the dimensions and speeds of the droplets become increasingly heterogeneous as collisions and coalescing phenomena, resulting in different droplet speeds. Each collision constitutes a loss of energy for the device. A significant loss will be made through these collisions. The largest droplets will be little or no steam and may fall back into the chamber. The convergence of the droplets to form a single jet can not be done without a significant loss of energy.
  • the contact surface between cold water spray and steam must be very important requiring a fine atomization of the cold water spray to obtain the heat exchange necessary for a total condensation of steam by cold water.
  • the collisions of the droplets composing the cold water spray and the hot water droplets, then transforming into a single liquid jet consumes a lot of energy (successive collisions).
  • FIG. 2 represents, from the prior art, a variant of the mistlift process in which the transmission of the kinetic energy of the hot water droplets 51 is done by incorporation into a liquid sheet 52 flowing on a wall 55, making it possible to reduce the height of the device above an acceleration zone 50 and to improve the transition from dispersed droplets 51 to a single-phase liquid jet 52 'that can be turbined by a turbine 53.
  • FIG. 3 represents, from the prior art, a "Hero" turbine with four arms 1 mounted in rotation in a chamber, specific to a fluid having a very low vapor density at the relaxation temperatures considered.
  • Each arm 1 can supply hot water at its end a fog generator assembly 6 and acceleration zone, the latter being for example in the form of nozzle 7.
  • the proposed provisions for the Fog generator 6 and the throttle nozzle 7 are the same as those proposed by Stuart L Ridgway for the mistlift process.
  • FIG. 4 represents, from the prior art, a detailed view of the end of the arm 1 of the "Hero" turbine of FIG. 3.
  • the hot water under pressure feeds a receiver 5 and then passes through the generator of Fog 6.
  • the two-phase fluid is then accelerated in the nozzle 7.
  • the outgoing jet 8 propels the generator assembly 6 and nozzle 7 by reaction, causing the rotation of the arms 1 in the enclosure.
  • FIG. 4 represents the end of one of the arms 1, comprising the receiver 5, followed by the generator 6 and the nozzle 7, oriented so that the jet at the outlet of the nozzle 7 is substantially perpendicular to the axis of rotation of the bars 1.
  • FIG. 4 represents, from the prior art, a partial partial section view of the mist generator 6 proposed in the mistlift or "Hero" turbine concepts described above.
  • the fog generator 6 proposed in the prior art must make it possible to cope with the specific constraints of ⁇ namely considerable amounts of hot water and extremely low vapor densities.
  • a 10 MW ETM plant must treat a hot water flow of about 20m 3 / s.
  • Each cubic meter of hot water will produce approximately 240 billion droplets 27 of 200 microns in diameter and 930 m 3 generate steam at the end of relaxation.
  • the mist generator 6 consists of a plate 20 pierced with a multitude (several million) of injection holes 21 of convergent shape in which the water is accelerated under the effect of pressure.
  • the holes of 100 microns in diameter are spaced by 2 mm or 250,000 holes per m 2 , a 10MW plant requiring a plate area of 350 m 2 .
  • a jet 22 of liquid is formed at the outlet of each hole 21 of the plate 20, the diameter of the jet being substantially equal to the outlet diameter of the hole 21.
  • this jet is suddenly depressurized at a lower pressure. at its vaporization pressure.
  • the initial creation of the steam is perpendicular to the jet following the arrows 23, so as to fill the available volume between the holes 21 with the steam.
  • this steam-creation phase does not provide any useful work on the droplets driving them in a direction perpendicular to that of the desired jet.
  • the experiments carried out show rather a slowing in the direction of the jet of the initial speed of the droplets in this phase, the sudden creation of vapor causing a great turbulence in this zone. This energy is lost for the device. It is therefore necessary to limit this creation of initial vapor to a portion of the thermal energy available in the droplets.
  • the steam 27 is then driven along the arrow 24 under the effect of the pressure difference between the hot injection zone and a zone kept cold by means of water from the cold source, in an acceleration zone 25.
  • a divergent nozzle 26 corresponding to the nozzle 7 of Figure 4, common holes 21 of the plate 20 where the steam relaxes and converts the remaining enthalpy kinetic energy.
  • this common nozzle 26 the droplets continue to cool and produce steam.
  • the kinetic energy of the vapor is partly transmitted to the droplets under the effect of the friction forces between vapor and droplets which are accelerated.
  • the jet path section changes abruptly, from the exit of the injection hole 21 to the acceleration zone (25) where the expansion of the vapor 27 is perpendicular to the jet velocity (the section passes abruptly from the section of the hole to a section 500 times larger). Not only does this vapor expansion 27 not transmit kinetic energy to the droplets in the desired direction, but it splits the jet into a multitude of droplets entrained perpendicularly to the jet. The velocity of these droplets and steam after this steam-creation phase is no longer in the direction of flow and there has been a loss of much of the initial kinetic energy of the jet.
  • the acceleration that can be imparted to the droplets by the steam is proportional to the drag divided by the mass of the droplet.
  • the mass of the droplet is itself proportional to the cube of the diameter. So in the end, the possible acceleration of the droplet is inversely proportional to the diameter of the droplet. For a diameter of 500 microns and a sliding speed of 20m / s, the possible acceleration is only 18 m / s 2 acceleration requiring a distance of at least 46 m. Droplets of 100 microns would allow acceleration and a distance respectively of 80m / s 2 and 10m while droplets of 10 microns respectively 890m / s 2 and 0.9m.
  • the pressure drops of the two-phase vapor / droplet flow in the acceleration part are very large, compared to the available pressure difference. It is therefore essential to reduce the length of the acceleration zone as much as possible.
  • the solution is to reduce the size of the droplets. Except the droplets quickly tend towards a large equilibrium diameter (500 microns) and the initial diameter is itself fixed by the diameter of the jet which is difficult to reduce below 100 microns taking into account the risks of plugging holes 21 injection (with a fluid such as seawater and bio-fouling) and given the pressure losses caused by the injection holes themselves.
  • the fog generator device consisting of a plate 20 pierced with a multitude of holes 21 associated with an acceleration zone 25 as proposed in the prior art has serious constraints which will drastically limit the yields of the engine. device.
  • FIG. 6 represents, from the prior art, an expansion nozzle for two-phase fluid.
  • a nozzle comprises, successively in the direction of flow of the fluid, a convergent 10, a neck 1 1 and a tube 12.
  • the fluid in the liquid state is first accelerated in the convergent 10 to the neck 1 1
  • steam is produced by flash vaporization of the liquid.
  • This steam is guided in the tube 12 which can be divergent from half-angle (a) from the section of the neck 1 1 and the flash vaporization controlled by the geometric parameters of the divergent 12.
  • a controlled flash vaporization is obtained, with a vapor velocity represented by arrows 13 having a major component in the direction of flow.
  • This type of nozzle is used in the ejectors and it has also been proposed, in the prior art, to use it in rotating machines of the "Hero" turbine type, each arm 1 carrying a nozzle at the end.
  • This mixing element 14 represented on a nozzle in FIG. 7, can be for example a fixed or mobile propeller. This mixing element 14 allows effective mixing of the liquid and vapor phases downstream of the neck 1 1 and thus improve the mechanical coupling liquid / vapor.
  • any increase in flow passes through an increase in the neck section 1 1 of the nozzle and therefore the diameter of the jet at the immediate exit of the neck 1 1. It is clear that the increase in the diameter of the jet will decrease the efficiency of the steam production during the flash, the exchange surfaces as a function of the water mass being reduced, the heat exchange inside the jet more difficult, and will also decrease the effectiveness of the formation of microdroplets during the breaking of the jet. Any increase in the liquid flow also involves increasing the flow of steam produced. Outside, in the case of ⁇ , very low density steam requires very large passage sections. The section of the nozzle at the outlet of the tube 13 must therefore be very important.
  • the poor efficiency of the formation of microdroplets from the jet will limit the friction between vapor and droplets and cause the need for a very large acceleration length (for example a length of 46 m for drops of 500 microns in diameter while the length is 0.9m for drops of 10 microns in diameter) It should also be noted that it would take 80 nozzles of this type to treat a flow rate of 20m 3 / s hot water corresponding to a power ETM of 10 MW.
  • each arm 1 carries a single nozzle of the type shown in Figures 6 and 7 at the end is not possible for power of a few MW, considering the flows to be treated.
  • FIG. 8 represents, in one embodiment, a schematic diagram of the two-phase expansion device according to the invention, able to maximize the amount of movement produced by a two-phase flow.
  • This is a sectional representation, on which a support 61, in the form of plate has been shown, only partially.
  • a plurality of nozzles 60 each having at least one convergent 65, a collar 66 and a tube 67, preferably diverging in the flow direction of the fluid, are arranged adjacent to the support, next to one another, so that the total flow of hot water to be treated is distributed in each of the nozzles 60.
  • the adjacent nozzles 60 are machined in a plate 61 which may be metallic or of any material resistant to corrosion and having characteristics sufficient mechanical Examples are steel, titanium or plastics or composites. The whole could, among the multiple possible embodiments, be obtained by molding or any other method.
  • the nozzles 60 could also be produced separately individually and collected by a suitable support, or directly attached to each other by welding or gluing, for example.
  • the hot water represented by the arrow 62 enters a receiver 63 whose role is to distribute the water to the multitude of nozzles 60 by minimizing the pressure drops of the flow at the inlet of the nozzles 60.
  • turbulence can be inserted into the receiver 63.
  • Sealing means are placed between the nozzles 60, so that a fraction of the flow of the fluid passes through each nozzle 60, without fluid flow between the nozzles 60.
  • the flow represented by the arrows 64 passing through each nozzle 60 is controlled by the number of nozzles 60 of the device. This number can be chosen so as to be in a flow range favorable to the operation of each nozzle 60 and also so as to reduce the necessary length of the divergent tube 67 of each nozzle 60.
  • an increase in the flow rate through the nozzle causes, among other things, an increase in the length of the diverging portion.
  • this can be adjusted by adapting the number of nozzles 60 available on the support.
  • the section of the neck 66 is designed so that, under the conditions of pressure and temperature of use of the device, a jet or a layer of liquid is obtained at the outlet of the neck 66, in the divergent tube 67, where a the diphasic expansion, generating a mist of droplets in their vapor.
  • a mixing element similar to that described with reference to FIG. 7, can be integrated into the diverging tube 67 of part or all of the two-phase expansion nozzles 60.
  • the totality of the available expansion is carried out in each of the nozzles 60.
  • the two-phase fluid at the outlet of the nozzles 60 thus consists of liquid droplets 68 accelerated and dispersed in the vapor.
  • the expansion and acceleration of the droplets being terminated at the outlet of the nozzles 60, this fluid will then be guided to the downstream devices for recovering the kinetic energy of the droplets and vapor condensation in the case of the mistlift and vapor condensation process. and recovery of the liquid in the case of the method using the principle of the turbine "Hero".
  • the arrows referenced 69 indicates the direction of movement of the droplets and the vapor.
  • each of the nozzles 60 is only partial, so that the fluid out of the nozzles 60 can be further expanded.
  • a pipe 70 whose section varies appropriately and forming a divergent common to the plurality of two-phase expansion nozzles 60 extends the set of nozzles 60 in the direction of flow of the fluid.
  • the common diverging conduit 70 makes it possible to terminate the expansion of the two-phase fluid and to terminate the acceleration phase of the droplets in an acceleration zone 71.
  • This arrangement makes it possible both to produce the first expansion part in the nozzles 60 in favorable efficiency conditions with regard to this initial expansion and fractionation of the jet in micro droplets and with good guidance of the two-phase fluid and to achieve the end of the expansion with a minimum pressure drop by minimizing the wall surfaces.
  • FIGS. 10a and 10b respectively show, in top view and in partial section, an almost square outlet section 60 for nozzles 60 making it possible to minimize the space between the nozzles 60.
  • the passage section of the steam therefore varies little in the immediate output of the nozzles avoiding a sudden relaxation source of loss of load.
  • extension elements 73 with variable section at the outlet of nozzles 60 to ensure continuity of the section variation.
  • a possible arrangement of this type of element is shown in plan view and in partial sectional view respectively in FIGS. 11a and 11b.
  • the extension elements fill the space between and at the outputs of the tube 67 diverging from the nozzles 60. Their section then varies gradually.
  • FIGS. 11a and 11b show an embodiment in which the section of the extension elements 73 progressively decreases, allowing an expansion of the vapor on the zone referenced 74.
  • the cold water The condensing of the steam produced can be ejected under spray form from these extension elements by means of suitable supply lines and injectors. This arrangement makes it possible to condense the vapor as close as possible to the end of the droplet acceleration zone 71 and thus to reduce the pressure drops and also to introduce the cold water spray 75 into the two-phase flow with a strong component the initial velocity in the same direction as the two-phase flow to obtain only one flow.
  • the cold water spray can be positioned on the space available between the nozzle outlets 60, with a large component of the initial velocity in the same meaning that the two-phase flow to get only one flow.
  • the liquid jet leaving the neck 66 of each nozzle 60 and then disintegrating in the form of droplets may be of any section, usually circular. The shape of its section is generated by the shape of the section of the neck of the nozzle.
  • the liquid leaving the neck 66 is in jet form, that is to say with all the dimensions of the flow in a plane perpendicular to the flow of the same order of magnitude.
  • the section of the neck 66, in a plane perpendicular to the flow of the liquid is for example circular or square: the jet then has a circular or square section and all the dimensions of the flow in a plane perpendicular to the flow of the same order of magnitude.
  • FIGS. 12a and 12b show respectively in top view and in partial section another embodiment in which the shape of the section of the neck 66 of the nozzles 60 is arranged so as to produce and eject a liquid layer instead of a jet.
  • liquid means a thickness of the liquid flow much smaller than its width.
  • the neck section 66 may be, for example, rectangular as shown in Figure 12 and the section of the convergent 65 and the tube 67 diverging from the nozzles.
  • This arrangement makes it possible to facilitate the production of the nozzle assembly, the neck being an elongate slot 80 and to reduce the number of nozzles 60 for the same flow rate, each nozzle 60 having a large elongation.
  • This embodiment also makes it possible to minimize the space between nozzles 60 at the outlet of nozzles 60. It slightly reduces, however, the surfaces in contact between liquid and vapor and the heat exchanges.
  • the device thus formed for relaxing a fluid then makes it possible to maximize the amount of movement produced by a two-phase flow.
  • the flow rates with which the device can work can be increased without increasing the length of the assembly and on the other hand the losses load due in particular to the expansion of the steam are reduced, the atomization of the liquid flow at the neck outlet is more efficient to obtain smaller droplets and better liquid vapor coupling.
  • the potential power provided by the device, when it is integrated for example in a device implementing the mistlift process, is much greater than that obtained with the devices of the state of the art.
  • the disintegration (atomization) of the jet or the layer at the outlet of the neck 66 of the nozzles 60 is a very important factor in the effectiveness of the device. Indeed, the smaller the size of the droplets generated, the more the mechanical coupling by friction between the liquid phase and the vapor phase is important, and the whole is effective.
  • the device according to the invention makes it possible to create a two-phase flow with good efficiency by maximizing the amount of movement created.
  • a preferential application is the Thermal Energy of the Seas.
  • FIG. 13 represents a first embodiment seen in section from above of a device for converting mechanical energy of thermal energy, of the "Hero" type. It is completed by Figure 14 which shows the same type of device "Hero" side section view.
  • the drawings are purely schematic and serve the purpose of helping to understand the device.
  • the conversion device is part of an installation, which may include several conversion devices.
  • the installation is in fluid connection on the one hand with a hot source of a so-called hot fluid and on the other hand with a cold source of a so-called cold fluid, the cold fluid being at a temperature lower than that of the hot fluid .
  • the hot fluid and the cold fluid are water.
  • the conversion device comprises an enclosure 100 and delimiting an internal environment.
  • the enclosure 100 has an axis 103 called rotation, fixed relative to the enclosure 100.
  • the axis 103 of rotation, when the installation is put in place, is preferably substantially vertical.
  • axial designate any direction parallel to the axis 103 of rotation
  • transverse designate any direction perpendicular to the axis 103 of rotation
  • radial will designate in the following any direction, in a transverse plane, secant with the axis 103 of rotation, and “orthogonal” any direction, in a transverse plane, non-secant with the axis of rotation, with reference to components of a rotational speed about the axis 103 of rotation.
  • the enclosure comprises a wall defining the inner medium, and of cross section to the axis 103 of substantially circular or elliptical rotation about the axis 103 of rotation.
  • the wall of the enclosure 100 makes it possible to ensure the seal between the outside atmosphere and inside the enclosure 100, where a partial vacuum is maintained, for example of the order of 0.013 bars in the context of ⁇ .
  • This enclosure 100 may be made of any material to ensure its resistance and its sealing. This list may include, but is not limited to, concrete, steel, composite materials among the possible materials or a combination of these materials.
  • this chamber 100 Given the large dimensions of this chamber 100, it will preferably adopt a shape to best withstand the external pressure, such as partially elliptical shapes, hemispherical, cylindrical, etc.
  • the enclosure 100 shown in FIGS. 13 and 14 may comprise flotation means, and thus be floating on the surface of an ocean, or any other body of water, kept totally immersed between two waters by anchors or maintained partially immersed by anchors in order to overcome the constraints of the swell.
  • It can also be a structure placed on the ground or placed and maintained on the bottom of a body of water when the height of water is not too important, for example to overcome length of pipe supply of cold water too important.
  • the device comprises an inlet pipe 1 12, for bringing and distributing inside the enclosure 100 of hot water.
  • the arrow 1 13 represents the arrival of hot water in the inlet pipe 1 12.
  • the hot water is pumped to a first depth below the surface of the ocean, in a deep zone where the water is at maximum temperature, usually between 0 and 100m.
  • the conversion device comprises a distributor 150, in fluid connection with the hot source. More precisely, according to one embodiment, the dispenser 150 comprises a first so-called central pipe 102, extending along the axis 103 of rotation, and in fluid connection with the inlet pipe 1 12.
  • the distributor 150 also comprises a second pipe 104, said arrival, extending transversely to the axis 103 of rotation from the central pipe 102.
  • the distributor comprises four delivery lines 104, distributed at 90 ° around the axis 103 of rotation, each fixed rigidly to the central duct 102. The number and distribution of the arrival lines 104 may, however, be otherwise.
  • the arrival lines 104 may be rectilinear or curved.
  • the hot water enters the inlet pipe 1 12 and arrives at the arrival pipes 104 through the central pipe 102.
  • the hot water enters the central duct 102 which is rotatably mounted about the axis 103 of rotation relative to the enclosure 100, and more precisely, with respect to the walls of the enclosure 100.
  • a rotating seal 1 14 provides sealing between the inlet pipe 1 12 and the central pipe 102 while allowing their relative rotation.
  • Bearings 1 15 equipped with the necessary means, such as bearings, stops, etc. allow to maintain the central pipe 102 substantially parallel to and aligned on the axis 103 of rotation.
  • the pipes 102, 104, January 12 may be made of any material to ensure the mechanical strength of the assembly with respect to particular centrifugal forces.
  • steel, aluminum and composite materials may be mentioned.
  • the conversion device comprises at least one two-phase expansion device 106, according to the invention, rigidly attached to the free end of an inlet pipe 104, which forms an arm, making it possible to generate and accelerate a fog of water droplets in their own vapor, inside the chamber 100.
  • the conversion device comprises four inlet pipe 104 distributed around the axis 103 of rotation, a diphasic expansion device 106 according to the invention being rigidly attached to the end of each arm 104.
  • the assembly formed by the central duct 102, the inlet ducts 104, the two-phase expansion devices 106, which may optionally comprise a common divergent duct 70, is said to be rotating as it pivots around the axis 103 of rotation by relative to the enclosure 100.
  • the rotation of the rotating assembly is represented by the arrow 1 1 1.
  • the water under the effect of the rotation of the rotating assembly, acquires pressure, and the rotation of the rotating assembly is maintained by the acceleration of the fog leaving the devices 106 of two-phase expansion which creates by reaction a thrust and drives the rotating assembly.
  • the rotation of the rotating assembly can, if necessary, be initiated by an auxiliary device, such as a motor, or a pump putting water under pressure in the inlet pipe 104, and whose power would be reduced at as the speed of rotation of the rotating assembly increases until a determined speed is reached.
  • an auxiliary device such as a motor, or a pump putting water under pressure in the inlet pipe 104, and whose power would be reduced at as the speed of rotation of the rotating assembly increases until a determined speed is reached.
  • a rolling device may be associated with the rotating assembly.
  • the rolling device is for example in the form of a wheel train, to accompany the rotation of the assembly rotating in the chamber 100 about the axis 103 of rotation.
  • the rolling device is retractable.
  • the pressurized hot water is received at the end of each inlet pipe 104 in the distributor 105 of the two-phase expansion device 106, the shape of which makes it possible to minimize the pressure losses due to the displacement of the water and to eject the water. effect of the water pressure through the two-phase expansion nozzles 60.
  • Each common diverging conduit 70 is oriented approximately orthogonally to the axis 103 of rotation on the free end of the pipe 104 corresponding arrival, to generate a fog 8 billion of droplets, the fog 8 of vapor and droplets being animated with an initial speed at the output of the two-phase detent device 106 represented by the arrows 109, whose orthogonal direction is approximately opposite to the orthogonal component of the rotating speed 1 1 1 of the rotating assembly.
  • the steam transforms its enthalpy into kinetic energy.
  • the pressure and temperature of the steam gradually decrease.
  • the friction and viscosity forces are much greater than the weight thereof and allow a significant acceleration of the droplets.
  • the vapor thus transmits a large part of its relaxation energy to the droplets.
  • the droplets continue to produce steam on their way, allowing the vapor to reach nearly 2.6% of the liquid mass.
  • each two-phase expansion device 106 At the outlet of each two-phase expansion device 106, the droplets have thus been accelerated by the steam and have a speed greater than the rotational speed of the rotating assembly.
  • More than 80% of the relaxation energy of the vapor can be transferred as kinetic energy to the droplets.
  • the fluid velocity at the output of the two-phase expansion device 106 is as close as possible to the peripheral speed due to the rotation in order to minimize the absolute velocity of the fluid. the exit.
  • the efficiency of the conversion device can be greater than 75% depending on the conditions.
  • the vapor and liquid phases separate, the stream 128 of vapor being sucked by the vacuum at the level of the condensation means 1 16 inside the chamber 100, due to the fact that a vacuum pump 1 19 placed downstream of the condensing means 1 16 with respect to the circulation of the vapor inside the chamber 100.
  • the vacuum pump 1 19 also makes it possible to maintain the partial vacuum at room temperature. the interior of the enclosure 100 while evacuating the non-condensable gases and the portion of vapor that would not have condensed (arrow 126).
  • the condensing means 1 16 must allow the condensation by direct thermal exchange and / or indirect with cold seawater from the depths, and more precisely to a second depth, greater than the first depth from which is pumped. Hot water.
  • the means 1 16 of condensation comprise a set of pipes 1 17 for bringing cold water 127 inside the chamber 100 and a system 1 18 for spraying water cold on the steam allowing its condensation.
  • the sputtering system 1 18 may be a combination of different cross current, counter current, etc. systems.
  • the condensation means 1 16 may be composed in whole or in part of indirect exchangers between the cold water and the steam allowing, if desired, to manufacture fresh water from the steam by recovering its condensed phase. .
  • a recuperator 120 makes it possible to recover together the cold water and the condensed vapor and a pump 121 makes it possible to evacuate them outside the enclosure 1 (arrow 125).
  • a recuperator 122 makes it possible to recover the hot water and a pump 123 makes it possible to evacuate it outside the enclosure (arrow 124).
  • a generator 131 for transforming the rotational mechanical energy of the rotating assembly into electrical energy. It is a rotary linear alternator 131 directly coupled to the upper part of the central pipe 102 in rotation, for example of the type that is installed on wind turbines. This choice makes it possible to dispense with a very expensive reduction box and seems interesting considering the rotational speeds envisaged.
  • This alternator 131 may of course be installed inside the enclosure 100 or outside thereof, provided that the central pipe 102 is extended by a rotating axis.
  • a conventional generator / reduction box system can also be considered.
  • the hydroelectric group 133 may be inserted into the central duct 102 of hot fluid when it comes under pressure as illustrated in FIG. 16.
  • several hydroelectric units may be inserted in each of the supply lines 104, using the pressurization generated by the rotation of the rotating assembly
  • FIG. 15 represents a schematic view of the rotating assembly and in particular of its elements 104, 105, 60 and 70.
  • the formation of a multitude of micro-jets at the output of the two-phase expansion device 106 makes it possible to create the mist in which the continuous phase is the vapor 108 and the dispersed phase the droplets.
  • This multitude of droplets has a contact surface with steam very favorable to heat exchange.
  • One solution may be to give a non-zero angle A, so that the liquid droplets are ejected with a component to the periphery sufficient to prevent them from colliding with the receiver 105 of the following two-phase detonator device 106.
  • This angle should be minimum to minimize the loss of power.
  • An angle of 5 ° to 15 ° may be suitable in some configurations.
  • Flow rates are 6.5 m 3 / s for hot and cold water.
  • the conversion device has a turning radius of 20m for a rotational speed of 2rd / s (radians per second).
  • the peripheral speed due to rotation is 40m / s.
  • the pressure of the hot water due to the rotation is 8.4 bars in the receiver 105 of the two-phase expansion devices 106 resulting in an output speed 109 of 54 m / s at the output diphasic expansion devices 106.
  • the mechanical power restored is 3500 KW.
  • the droplet output speed which represents 98% of the ejected mass, is close to the peripheral speed, which allows the excellent efficiency of the conversion device.
  • the conversion device presented equipped with two-phase expansion devices 106 according to the invention, therefore while maintaining high efficiency to limit the rotational speeds and centrifugal forces through excellent mechanical coupling of the liquid phase and vapor.
  • the output speeds of the two-phase expansion device 106 remain sufficiently high (approximately 60 m / s) to allow moderate two-phase expansion device dimensions 106.
  • the conversion device makes it possible to choose the speed of rotation and the radius of the rotating assembly as well as the dimensions of the droplets produced and the dimensions of the two-phase expansion device 106, and in particular the dimensions of the two-phase expansion nozzles 60 and the length of the leads 70 divergent common to find the best compromise between the following constraints:
  • the path length of the droplets in the proposed conversion device is very limited, limiting the numbers of collisions between droplets and with the walls, a source of significant energy losses, in contrast to the conversion devices proposing a vertical rise of the liquid phase requiring courses of nearly 100m.
  • a Pelton turbine uses the kinetic energy of a liquid jet produced by one or more injectors to produce mechanical energy.
  • the purpose of the injector is to transform the pressure energy of the water into kinetic energy.
  • the two-phase expansion device converts the thermal energy of a hot fluid into kinetic energy in the form of accelerated droplets and vapor.
  • the use of the two-phase expansion device in place of an injector makes it possible to propel on Pelton turbine buckets a stream of droplets and vapors at high speed.
  • the shape and size of the buckets and the characteristic sizes of the Pelton turbine can be adapted accordingly.
  • Two-phase expansion devices can be used for the same Pelton turbine wheel.
  • the two-phase expansion device proposed according to the invention makes it possible to transform into mechanical energy the thermal energy contained in two low-temperature difference fluids with good efficiency and a simple and inexpensive device.

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Abstract

Dispositif de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique Dispositif (106) de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique, le dispositif (106) de détente diphasique étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins:. un distributeur (105) permettant de distribuer le fluide à une multitude de buses (60) de détente diphasique;. une multitude de buses (60) de détente diphasique adjacentes et à axes sensiblement parallèles, chaque buse (60) de détente diphasique comprenant successivement au moins un convergent (65), un col (66) et un tube (67) et les buses (60) de détente diphasique étant disposées pour recevoir chacune une partie du débit provenant de la source chaude;. des moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses (60) de détente diphasique et comprenant des moyens de séparation étanche entre les buses (60) de détente diphasique.

Description

Dispositif de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique
La présente invention concerne un dispositif permettant la détente diphasique avec une bonne efficacité d'un important débit saturant d'un liquide chaud à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement du dispositif. Elle s'applique tout particulièrement à la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique entre une source chaude et une source froide à faible différence de températures et plus particulièrement à l'énergie thermique des mers (ETM).
La conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique entre une source chaude à température modérée et une source froide avec une faible différence de température est depuis longtemps un enjeu important.
De telles configurations sont particulièrement nombreuses et on peut citer, à titre d'exemple :
• la géothermie
• les rejets industriels de chaleur
· l'énergie thermique des mers (ETM) soit la différence de température entre les couches de surface et les couches profondes des océans qui atteint près de 20°C dans les zones intertropicales.
De nombreux dispositifs de conversion de cette énergie thermique en énergie mécanique ont été proposés mais les applications industrielles sont encore peu nombreuses compte tenu notamment des points suivants :
• Les différences de température faibles entre la source chaude et la source froide impliquent un taux maximal théorique de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique très faible (de l'ordre de 7% pour ΙΈΤΜ)
• L'efficacité des dispositifs proposés reste très limitée ce qui réduit encore ce taux de conversion.
• En conséquence, les volumes de fluide à traiter sont extrêmement importants, nécessitant des dispositifs d'échange de chaleur très grands.
• Les contraintes liées à l'environnement marin dans le cas de ΙΈΤΜ.
On peut diviser les solutions proposées dans l'art antérieur ainsi :
· les solutions qui font appel à un cycle de Rankine organique c'est à dire dans lequel le fluide chaud provenant de la source chaude cède sa chaleur à un fluide de travail à travers un échangeur pour le vaporiser. Le fluide de travail se détend à travers une turbine en fournissant un travail mécanique et est ensuite condensé dans un condenseur en échangeant avec le fluide froid de la source froide pour être finalement mis sous pression par une pompe. Ce cycle dit fermé présente l'avantage de permettre l'utilisation d'un fluide de travail présentant des densités volumiques de vapeur importantes aux températures considérées et donc des turbines de dimensions raisonnables. Il présente cependant des inconvénients majeurs, notamment la dimension très importante des échangeurs de chaleur entre les sources chaudes et froides et le fluide de travail pour pouvoir traiter des débits très importants avec un pincement de température minimum. Les risques de biofouling de ces échangeurs dans le cas de ΙΈΤΜ sont très sensibles et la nécessité d'utiliser des fluides de travail comme l'ammoniaque présente également de réels impacts pour l'environnement.
Les solutions dans lesquelles le fluide chaud (en général de l'eau) est vaporisé en partie grâce à sa propre chaleur spécifique (vaporisation flash), sa vapeur détendue dans une turbine où elle fournit un travail mécanique, la vapeur étant par la suite condensée grâce à l'échange thermique (le plus souvent direct) avec le fluide de la source froide (en général de l'eau). Cette solution dite cycle ouvert présente l'avantage d'éviter d'avoir recours à des échangeurs de chaleur surdimensionnés entre deux fluides différents. Elle présente cependant des limitations majeures notamment dans le cas de ΙΈΤΜ. En effet, dans ce cas, la température de la source chaude (environ 28°C) correspond à des pressions de vapeur extrêmement faibles de l'ordre de 3 centièmes de bars. A cette pression, la masse volumique de la vapeur est très faible et il est donc nécessaire de faire passer à travers la turbine un débit volumique extrêmement important ce qui implique à la fois des diamètres de rotor très élevés et des vitesses périphériques élevées. Les forces centrifuges sur les éléments de la turbine deviennent alors trop importantes pour des puissances à partir de quelques MW (Méga Watts). De plus l'inertie de la turbine devient également très importante ce qui peut générer des problèmes de couplage au réseau électrique. Ce cycle ouvert est donc de moins en moins envisagé pour des puissances supérieures à quelques MW.
On peut également citer les nombreux dispositifs utilisant des turbines dites diphasiques. A l'intérieur de cette catégorie, on peut distinguer :
1. les solutions dans lesquelles le fluide est introduit sous forme liquide, détendu pour former une phase vapeur et une phase liquide, les deux phases étant ensuite séparées au moyen d'un séparateur et chacune détendue dans des dispositifs séparés, adaptés à chaque phase. Ces solutions présentent une grande complexité et des efficacités médiocres.
2. les solutions dans lesquelles le fluide est détendu à travers un ajutage, se vaporisant en partie en sortie de l'ajutage, l'ensemble liquide et vapeur se détendant ensuite à travers une tuyère adaptée. Compte tenu de la présence d'une phase liquide très importante, toute détente dans une turbine présentant des changements de direction du fluide est proscrite sous peine d'altérer rapidement les pales. Il reste la solution de la turbine à réaction type « Hero » à un seul étage. Dans ce type de turbine, il est nécessaire pour conserver une bonne efficacité que la vitesse absolue du fluide en sortie de détente soit la plus faible possible. Or, le fluide éjecté est pour plus de 95% en masse sous forme liquide alors que la masse de la partie vapeur reste très faible. Cependant, c'est la vapeur qui en transformant son enthalpie en énergie cinétique lors de la détente accélère beaucoup plus que la partie liquide. Les deux phases qui sont peu couplées mécaniquement dans les dispositifs proposés auront donc des vitesses très différentes en sortie de détente incompatibles avec une bonne efficacité de la turbine.
A ce jour, aucun dispositif de ce type n'a prouvé son efficacité, et aucun dispositif n'a été conçu spécifiquement pour le domaine des faibles températures de source chaude, le fluide étant de l'eau, compte tenu de sa densité de vapeur très faible.
• Des solutions dans lesquelles l'eau chaude subie une vaporisation flash, sa vapeur étant détendue dans un divergent vertical où elle communique une partie de son énergie à de l'eau liquide de façon à élever cette eau dans le dispositif en luttant contre la gravité. Ces solutions permettent d'éviter les échangeurs de chaleur des cycles fermés et les turbines surdimensionnées des cycles ouverts mentionnés ci dessus. Les solutions proposées sont notamment :
1. sous forme de bulles, comme décrit dans le document US 3,967,449, dans lequel des bulles de vapeur sont produites dans la phase liquide de façon à diminuer la densité de l'ensemble. Ce dispositif présente de grandes difficultés à maintenir les conditions de pression nécessaires à la formation de bulles dans la phase liquide.
2. sous forme de mousse, comme décrit dans le document US 4,249,383 dans lequel une mousse composée de vapeur, d'eau chaude et d'un agent moussant est formée et élevée par la vapeur. La nécessité d'utiliser un agent moussant et la difficulté à conserver la stabilité de la mousse semblent rédhibitoires.
3. sous forme de gouttes, comme décrit dans le document US 4,216,657 dans le document US 4,441 ,321 (inventeur Stuart L Ridgway) ou encore dans la demande de brevet US 2013/0031903 dans lequel des gouttes ou microgouttes sont élevées par leur propre vapeur dans une enceinte verticale (procédé mistlift).
L'énergie est récupérée par simple turbinage hydraulique de la phase liquide. Le terme « mistlift » désignera dans la suite du texte le procédé par lequel des gouttelettes de fluide chaud sont élevées contre la gravité par leur propre vapeur sous l'effet de la différence de pression de vapeur entre la partie inférieure chaude et la partie supérieure froide du dispositif.
Bien que simple, le dispositif proposé mettant en œuvre le procédé mistlift présente un certain nombre d'inconvénients, et notamment :
• nécessité d'une section de passage de la vapeur très grande compte tenu de la très faible masse volumique de la vapeur et de sa vitesse initiale nécessairement limitée associée à une hauteur très importante. A titre d'exemple un tel dispositif de 4 MW pour ΙΈΤΜ ferait 20m de diamètre pour près de 100m de haut impliquant des difficultés de réalisation, d'opération et de coût considérables.
• Importantes pertes énergétiques par collision des gouttelettes avec les parois ou entre elles compte tenu de la distance verticale très grande à parcourir.
• Générateur de brouillard proposé peu efficace avec une perte importante d'énergie pendant la vaporisation flash initiale et un couplage vapeur / gouttelettes peu efficace pendant la phase d'accélération, associé à des pertes de charge importantes, l'ensemble de ces facteurs entraînant une efficacité globale du dispositif très limitée.
· Difficultés à récupérer l'énergie des gouttelettes accélérées dans un dispositif de conversion efficace.
Le dispositif selon l'invention permet entre autre d'apporter une réponse aux difficultés liées au dispositifs qui ont été proposés dans l'art antérieur en proposant une solution adaptée à une détente diphasique efficace d'un fluide à faible température dans lequel la phase dispersée est constituée de gouttes de très petites dimensions (de diamètre depuis une dizaine de microns à quelques millimètres), appelées alors gouttelettes, microgouttes ou encore microgouttelettes, et la phase continue de sa propre vapeur, le fluide présentant de très faible densité de vapeur à la température considérée (par exemple de l'eau à 28°C). Il permet d'obtenir un bon couplage mécanique entre la vapeur et les gouttelettes et d'accélérer les gouttelettes avec une bonne efficacité en limitant les pertes de charge de l'écoulement. Le dispositif peut s'intégrer dans un dispositif de conversion d'énergie utilisant le procédé mistlift ou dans une machine tournante utilisant la réaction due au jet diphasique.
Dans le texte, brouillard désigne un amas de gouttelettes (plusieurs millions voir milliards par m3) dispersées dans la vapeur générée par leur propre évaporation partielle.
Selon un premier aspect, l'invention propose un dispositif de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique provenant de la détente d'un important débit saturant d'un fluide en provenance d'une source dite chaude. Le dispositif de détente diphasique comprend au moins :
un distributeur permettant de distribuer le fluide en provenance de la source chaude à une multitude de buses de détente diphasique ;
une multitude de buses de détente diphasique adjacentes et à axes sensiblement parallèles, chaque buse comprenant successivement au moins un convergent, un col et un tube et les buses étant disposées pour recevoir chacune une partie du débit provenant de la source chaude ;
des moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses de détente diphasique et comprenant des moyens de séparation étanche entre les buses de détente diphasique. Le dispositif de détente diphasique permet ainsi, notamment à la fois de travailler avec des débits importants du fait de l'utilisation de la multitude de buses de détente diphasique tout en contrôlant l'expansion de la vapeur lors de la détente, source de perte de charge et donc d'efficacité. Le dispositif de détente diphasique peut présenter les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison :
la section du col d'au moins une buse de détente diphasique est conçue pour produire un jet liquide ;
la section du col de la au moins une buse de détente diphasique pour produire un jet liquide est de forme circulaire ou carrée ;
la section du col d'au moins une buse de détente diphasique est conçue pour produire une nappe liquide ;
la section du col de la au moins une buse de détente diphasique pour produire une nappe liquide est en forme de fente allongée ;
- une au moins des buses de détente diphasique comporte un élément mélangeur en aval du col ;
la totalité de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses de détente diphasique ;
seulement une partie de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses de détente diphasique, le reste de la détente étant réalisé dans un conduit formant divergent commun prolongeant l'ensemble des buses de détente diphasique.
l'espace entre les buses de détente diphasique en sortie de tube est minimalisé au moyen d'une géométrie de sortie de buses adaptée, de sorte que la sortie du tube d'une première buse de détente diphasique est en contact avec la sortie du tube d'une deuxième buse de détente diphasique adjacente à la première buse de détente diphasique.
du liquide en provenance d'une source dite froide, à une température inférieure à celle de la source chaude, et destiné à condenser la vapeur produite est éjecté sous forme de spray depuis l'espace disponible entre les buses de détente diphasique en sortie du tube des buses de détente diphasique avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant des buses de détente diphasique ;
le dispositif de détente diphasique comporte des éléments prolongateurs à section variable en sortie du tube des buses de détente diphasique permettant d'assurer une continuité de la variation de section de l'écoulement diphasique depuis la sortie du tube des buses de détente diphasique jusqu'à la sortie du conduit formant divergent commun prolongeant les buses de détente diphasique ;
du liquide en provenance d'une source dite froide, à une température inférieure à celle de la source chaude, et destiné à condenser la vapeur produite est éjecté sous forme de spray depuis les éléments prolongateurs avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant du conduit prolongeant le tube des buses de détente diphasique ;
les moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses de détente diphasique comprennent une plaque, les buses de détente diphasique étant usinées dans la plaque ou moulées avec la plaque ;
les moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses de détente diphasique comprennent des moyens pour souder ou pour coller les buses de détente diphasique entre elles.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose une turbine de type « Hero » comportant au moins un dispositif de détente diphasique tel que présenté ci-dessus, à l'extrémité d'au moins un de ses bras.
Selon un troisième aspect, l'invention propose une turbine de type à action comportant au moins un dispositif de détente diphasique tel que présenté ci-dessus utilisé en tant qu'injecteur.
Selon un quatrième aspect, l'invention propose un dispositif de conversion d'énergie utilisant le procédé mistlift comportant au moins un dispositif de détente diphasique tel que présenté ci- dessus pour produire et accélérer les gouttelettes de liquide chaud, le dispositif de conversion utilisant le procédé mistlift comprenant des moyens de connexion fluidique avec une source chaude et des moyens de connexion fluidique avec une source froide. La source chaude est par exemple l'eau chaude à une première profondeur sous la surface de l'océan et la source froide est de l'eau froide à une deuxième profondeur supérieure à la première profondeur sous la surface de l'océan. Les dessins annexés illustrent des modes particuliers de réalisation de l'invention :
La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant le dispositif mistlift tel que présenté dans le brevet US 4,441 ,321 ;
La figure 2 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant un dispositif pour le procédé mistlift ;
- La figure 3 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une turbine type « Hero » chaque bras portant un accélérateur de brouillard ;
La figure 4 représente un schéma représentant une vue détaillée de l'extrémité du bras de la turbine « Hero » représentée en figure 3 ;
La figure 5 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une vue en coupe verticale de la partie générateur de brouillard des dispositifs représenté en figures précédentes ;
La figure 6 représente parmi l'art antérieur un schéma de principe d'une buse de détente diphasique ; La figure 7 représente parmi l'art antérieur un schéma de principe d'une buse de détente diphasique comportant un élément mélangeur tel que présenté dans le document FR 2 944 460 ;
La figure 8 représente un mode de réalisation du dispositif de détente diphasique de la présente invention, la totalité de la détente étant réalisée dans une multitude de buses diphasiques ;
La figure 9 représente un mode de réalisation du dispositif de détente diphasique de la présente invention, une partie de la détente étant réalisée dans une multitude de buses diphasiques et l'autre partie dans un conduit adapté ;
Les figures 10a et 10b représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe partielles d'un mode de réalisation du dispositif de détente diphasique de la présente invention, l'espace entre buses en sortie de buses étant minimalisé ;
Les figures 1 1a et 1 1 b représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe partielles d'un mode de réalisation du dispositif de détente diphasique de la présente invention, des éléments prolongateurs étant insérés dans le conduit prolongeant les buses ;
- Les figures 12a et 12b représentent respectivement une vue de dessus et une vue en coupe partielles d'un mode de réalisation du dispositif de détente diphasique de la présente invention, une nappe liquide étant générée en sortie du col des buses ;
La figure 13 est une vue en coupe transversale d'un exemple de réalisation d'un dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique utilisant une turbine de type « Hero », laquelle est muni d'un dispositif de détente diphasique selon la figure 9 ;
La figure 14 est une vue en coupe longitudinale du dispositif de conversion de la figure 13 ;
La figure 15 est une vue de dessus de détail de l'extrémité d'un bras de la turbine de type « Hero » des figures 13 et 14 ;
La figure 16 est une vue similaire à celle de la figure 14, pour une variante de réalisation du dispositif de conversion.
Afin de faciliter la compréhension de la demande, les dispositifs représentés et décrits dans les différentes figures sont adaptés pour ΙΈΤΜ, à savoir que le fluide chaud désigné par eau chaude est ici de l'eau de mer extraite en surface à une température pouvant varier en général entre 22°C et 30°C et le fluide froid désigné par eau froide de l'eau de mer extraite des profondeurs ( en général entre 500 et 1500m de profondeur) et à une température environ entre 5°C et 10°C, conditions que l'on trouve par exemple dans les océans des zones intertropicales.
Les dispositifs décrits pourraient bien sur fonctionner dans un autre contexte que ΙΈΤΜ avec des fluides chaud et froid différents de l'eau de mer (par exemple avec la géothermie et de l'eau chaude provenant du sous-sol et de l'eau froide provenant d'une rivière, ou avec de la récupération de chaleur industrielle) ou à des températures sensiblement différentes de celles indiquées ci- dessus à la condition d'adaptations sur le dispositif évidentes pour un spécialiste. La présente demande d'invention comprend ces autres utilisations et/ou autres fluides. Le tableau suivant indique des exemples de niveaux de température de chaleur récupérable, c'est- à-dire la température du fluide chaud, dans différentes applications industrielles dans lesquelles le dispositif de la présente invention pourrait être utilisé.
Figure imgf000010_0001
La figure 1 représente le procédé mistlift décrit dans le document US 4,441 ,321
L'eau chaude 45 prise à proximité de la surface 49 de l'océan est éjectée avec une vitesse verticale ascendante par un générateur de brouillard 41 permettant de produire une multitude de micro gouttelettes 43 dans une enceinte 46 dans laquelle un vide poussé est maintenu.
Les gouttelettes 43 sous l'effet du vide se vaporisent partiellement (vaporisation flash). La vapeur est alors détendue dans un divergent vertical où elle communique une partie de son énergie aux gouttelettes d'eau en les élevant contre la gravité dans une zone d'accélération 40.
De l'eau froide pompée des profondeurs, c'est-à-dire à une profondeur supérieure à celle de l'eau chaude 45, est injectée le long des parois à mi-hauteur de l'enceinte 48 sous forme de spray 44 avec une vitesse ascendante initiale. Ce spray est lui-même entraîné par l'ensemble gouttelettes d'eau chaude et vapeur vers le haut.
Ce spray d'eau froide permet de condenser graduellement la vapeur dans la partie haute de l'enceinte 46.
L'ensemble composé du spray d'eau froide, des gouttelettes d'eau chaude et de la vapeur restante converge au sommet de l'enceinte 46 pour former un jet liquide. La partie liquide est rejetée dans l'océan.
Une pompe à vide 47 permet d'évacuer les non condensables hors de l'enceinte 46.
L'énergie du dispositif est récupérée au moyen d'une turbine hydraulique 42 insérée dans le canal d'amenée de l'eau chaude.
Bien que simple, ce dispositif présente l'inconvénient de nécessiter des sections de passage de la vapeur très grandes associées à des hauteurs très importantes. En effet, compte tenu de la très faible masse volumique de la vapeur et de sa vitesse initiale nécessairement limitée, la pression en amont du générateur de brouillard est diminuée par la perte de charge due à la turbine hydraulique. A titre d'exemple, un tel dispositif de 4 MW pour ΙΈΤΜ ferait 20m de diamètre pour près de 100m de haut.
L'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération constitue un des éléments clefs du dispositif, car il s'agit de transformer l'énergie thermique contenue dans l'eau en énergie cinétique pour la vapeur (par détente), elle-même communiquée en grande partie aux gouttelettes par la vapeur.
Des expériences sur une hauteur limitée à 4 m ont été réalisées pour valider le concept par Stuart L. Ridgway et une analyse détaillée des résultats obtenus ne permet pas de valider le concept, seules les pertes de charge de la vapeur le long de son parcours ayant été mesurées et l'hypothèse ayant été faite que cette perte de charge correspondait à l'énergie transféré aux gouttelettes sous forme d'énergie cinétique vers le haut. D'autres expériences menées par une équipe japonaise (« A fundamental study of the mist lift cycle » by Nagasaki, Hijikuta, Mori and Sakurai) ne valident également pas le concept, les auteurs s'étant attachés à l'analyse de l'évolution des diamètres des gouttelettes et les accélérations obtenues restant faibles. Une simulation purement théorique du concept indique des pertes de charge extrêmement élevées dans l'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération.
Le dispositif selon l'invention constitue un nouveau concept de l'ensemble générateur de brouillard et zone d'accélération et permet notamment d'en améliorer l'efficacité.
Pour revenir à la figure 1 , une fois passée la zone d'accélération, les gouttelettes devront parcourir une longue distance dans l'enceinte 46 avec une très forte probabilité de collision entre les gouttelettes elles-mêmes ou avec les parois. En effet, bien qu'homogène au départ, les dimensions et les vitesses des gouttelettes deviennent de plus en plus hétérogènes au fur et à mesure des collisions et des phénomènes de coalescence, entraînant des vitesses de gouttelettes différentes. Chaque collision constitue une perte d'énergie pour le dispositif. Une perte importante se fera à travers ces collisions. Les gouttelettes les plus grosses ne seront pas ou peu entraînées par la vapeur et risquent de retomber dans l'enceinte. La convergence des gouttelettes pour former un jet unique ne pourra se faire sans une importante perte d'énergie. De plus, la surface de contact entre spray d'eau froide et vapeur doit être très importante nécessitant une fine atomisation du spray d'eau froide pour obtenir les échanges thermiques nécessaires à une condensation totale de la vapeur par l'eau froide. Dans ces conditions, les collisions des gouttelettes composant le spray d'eau froide et des gouttelettes d'eau chaude se transformant ensuite en un jet liquide unique consomme beaucoup d'énergie (collisions successives).
II est également important de citer les problèmes de stabilité du spray d'eau froide. Il s'agit en effet d'un spray libre, ne s'appuyant et n'étant guidé contre l'effet de la gravité par aucune paroi. Il aura donc nécessairement tendance à s'éloigner de la paroi du dispositif sous l'effet de la gravité.
La figure 2 représente, parmi l'art antérieur, une variante du procédé mistlift dans laquelle la transmission de l'énergie cinétique des gouttelettes d'eau chaude 51 se fait par incorporation dans une nappe liquide 52 coulant sur une paroi 55, permettant de réduire la hauteur du dispositif au- dessus d'une zone d'accélération 50 et d'améliorer la transition depuis des gouttelettes dispersées 51 à un jet liquide monophasique 52' pouvant être turbiné par une turbine 53.
Cependant, les dispositions proposées pour le générateur de brouillard 54 et la zone d'accélération des gouttelettes 50 restent identiques à celles proposées par Stuart L Ridgway.
La figure 3 représente, parmi l'art antérieur, une turbine « Hero » à quatre bras 1 montés en rotation dans une enceinte, spécifique à un fluide présentant une très faible densité de vapeur aux températures de détente considérées. Chaque bras 1 permet d'alimenter en eau chaude à son extrémité un ensemble générateur de brouillard 6 et zone d'accélération, cette dernière se présentant par exemple sous forme de tuyère 7. Là encore, les dispositions proposées pour le générateur 6 de brouillard et la tuyère 7 d'accélération sont les mêmes que celles proposées par Stuart L Ridgway pour le procédé mistlift.
La figure 4 représente, parmi l'art antérieur, une vue détaillée de l'extrémité du bras 1 de la turbine « Hero » de la figure 3. L'eau chaude sous pression alimente un récepteur 5 et passe ensuite à travers le générateur de brouillard 6. Le fluide diphasique est ensuite accéléré dans la tuyère 7. Le jet 8 sortant propulse par réaction l'ensemble générateur 6 et tuyère 7, provoquant la rotation des bras 1 dans l'enceinte.
La figure 4 représente l'extrémité d'un des bras 1 , comprenant le récepteur 5, suivi du générateur 6 et de la tuyère 7, orientée pour que le jet en sortie de la tuyère 7 soit sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation des bars 1.
La figure 4 représente, parmi l'art antérieur, une vue en coupe partielle détaillée du générateur 6 de brouillard proposé dans les concepts mistlift ou turbine « Hero » décrits précédemment.
Le générateur 6 de brouillard proposé dans l'art antérieur doit permettre de composer avec les contraintes spécifiques à ΙΈΤΜ à savoir des quantités d'eau chaude considérables et des densités de vapeur extrêmement faibles. A titre d'exemple, une centrale ETM de 10 MW doit traiter un débit d'eau chaude d'environ 20m3/s. Chaque mètre cube d'eau chaude va produire environ 240 milliards de gouttelettes 27 de 200 microns de diamètre et générer 930 m3 de vapeur en fin de détente. Le générateur 6 de brouillard consiste en une plaque 20 percée d'une multitude (plusieurs millions) de trous d'injection 21 de forme convergente dans lesquels l'eau est accélérée sous l'effet de la pression. A titre d'exemple, les trous de 100 microns de diamètre sont espacés de 2 mm soit 250 000 trous par m2, une centrale de 10MW nécessitant une surface de plaque de 350 m2. Un jet 22 de liquide se forme à la sortie de chaque trou 21 de la plaque 20, le diamètre du jet étant sensiblement égal au diamètre de sortie du trou 21. A la sortie du trou 21 , ce jet est brutalement dépressurisé à une pression inférieure à sa pression de vaporisation. Il y a donc très brutalement création initiale de vapeur (moins de 1 % en masse) et le jet se fractionne en gouttelettes de diamètre sensiblement égal au double du diamètre du jet, l'énergie thermique nécessaire à la vaporisation étant fournie par la chaleur sensible de l'eau (vaporisation flash). La création initiale de la vapeur se fait perpendiculairement au jet suivant les flèches 23, de façon à remplir le volume disponible entre les trous 21 avec la vapeur. Au mieux, cette phase de création de vapeur ne fournit aucun travail utile sur les gouttelettes les entraînant dans une direction perpendiculaire à celle du jet souhaitée. Les expériences réalisées montrent plutôt un ralentissement dans le sens du jet de la vitesse initiale des gouttelettes dans cette phase, la création brutale de vapeur entraînant une grande turbulence dans cette zone. Cette énergie est donc perdue pour le dispositif. Il est donc nécessaire de limiter cette création de vapeur initiale à une partie de l'énergie thermique disponible dans les gouttelettes. La vapeur 27 est ensuite entraînée selon la flèche 24, sous l'effet de la différence de pression entre la zone d'injection chaude et une zone maintenue froide grâce à de l'eau de la source froide, dans une zone d'accélération 25 formée d'une tuyère divergente 26, correspondant à la tuyère 7 de la figure 4, commune aux trous 21 de la plaque 20 où la vapeur se détend et transforme l'enthalpie restante en énergie cinétique. Dans cette tuyère 26 commune, les gouttelettes continuent à se refroidir et à produire de la vapeur. L'énergie cinétique de la vapeur y est transmise en partie aux gouttelettes sous l'effet des forces de frottement entre vapeur et gouttelettes qui sont accélérées.
Ainsi, la totalité de la détente de la vapeur est terminée dans la zone 25 d'accélération de la tuyère 26 commune, de sorte que l'ensemble comprenant la plaque 20 et la zone 25 d'accélération forme une unique buse de détente dont l'entrée est formée par les trous 21 , et dont la sortie est formée par la sortie de la zone 25 d'accélération.
Une analyse approfondie des résultats obtenus par différentes expérimentations de ce type de dispositif appliqué à l'énergie thermique des mers fait apparaître un rendement global du dispositif très faible.
Plusieurs raisons peuvent être évoquées :
1. la section sur le trajet du jet change brutalement, de la sortie du trou 21 d'injection à la zone (25) d'accélération où l'expansion de la vapeur 27 se fait perpendiculairement à la vitesse du jet (la section passe brusquement de la section du trou à une section 500 fois plus grande). Non seulement cette expansion de vapeur 27 ne transmet pas de l'énergie cinétique aux gouttelettes dans la direction souhaitée mais elle fractionne le jet en une multitude de gouttelettes entraînée perpendiculairement au jet. La vitesse de ces gouttelettes et de la vapeur après cette phase de création de vapeur n'est plus dans la direction de l'écoulement et il y a eu perte d'une bonne partie de l'énergie cinétique initiale du jet.
2. Cette création de vapeur flash étant très brutale, il est très difficile de la maîtriser et il semble qu'une bonne partie de l'énergie disponible est perdue dans cette phase, notamment sous forme de turbulences.
3. La vapeur est ensuite entraînée dans la tuyère 26 divergente commune dans laquelle elle est détendue. Dans cette phase, les gouttelettes sont animées d'une vitesse initiale anarchique en direction et en intensité. Il y a donc dès le départ de multiples collisions entre gouttelettes. Ces collisions entraînent des pertes d'énergie importantes. Sous l'effet de ces collisions, les gouttelettes coalescent et se fractionnent. Les expérimentations montrent que le diamètre moyen d'équilibre des gouttes se situe à environ 500 microns dans les conditions de ΙΈΤΜ. Hors, la puissance transmise entre la vapeur et les gouttelettes est directement proportionnelle à la force de traînée des gouttelettes dans la vapeur. Cette force de traînée est elle-même proportionnelle à la section de la gouttelette, soit au carré de son diamètre, et à la vitesse de glissement entre la vapeur et les gouttelettes. Cette vitesse de glissement doit être limitée, l'énergie cinétique correspondante pour la vapeur étant perdue au final. L'accélération qui peut être communiquée aux gouttelettes par la vapeur est proportionnelle à la traînée divisée par la masse de la gouttelette. La masse de la gouttelette est elle-même proportionnelle au cube du diamètre. Donc au final, l'accélération possible de la gouttelette est inversement proportionnelle au diamètre de la gouttelette. Pour un diamètre de 500 microns et une vitesse de glissement de 20m/s, l'accélération possible est seulement de 18m/s2 nécessitant une distance d'accélération d'au moins 46 m. Des gouttelettes de 100 microns permettraient une accélération et une distance respectivement de 80m/s2 et de 10m alors que des gouttelettes de 10 microns respectivement de 890m/s2 et de 0,9m.
4. les pertes de charge de l'écoulement diphasique vapeur / gouttelettes dans la partie d'accélération sont très importantes, comparées à la différence de pression disponible. Il est donc indispensable de réduire la longueur de la zone 25 d'accélération le plus possible. Comme il a été vu précédemment, la solution est de réduire la taille des gouttelettes. Hors les gouttelettes tendent rapidement vers un diamètre d'équilibre important (500 microns) et le diamètre initial est lui-même fixé par le diamètre du jet qu'il est difficile de réduire en dessous de 100 microns compte tenu des risques de bouchage des trous 21 d'injection (avec un fluide comme l'eau de mer et des risques de bio salissure) et compte tenu des pertes de charge occasionnées par les trous d'injection eux-mêmes.
Il apparaît donc que le dispositif de générateur de brouillard constitué d'une plaque 20 percée d'une multitude de trous 21 associé à une zone 25 d'accélération comme proposé dans l'art antérieur présente de sérieuses contraintes qui vont limiter drastiquement les rendements du dispositif.
La figure 6 représente, parmi l'art antérieur, une buse de détente pour fluide diphasique. Une buse comporte, successivement dans le sens d'écoulement du fluide, un convergent 10, un col 1 1 et un tube 12. Le fluide à l'état liquide est tout d'abord accéléré dans le convergent 10 jusqu'au col 1 1. A la sortie du col 1 1 , de la vapeur est produite par vaporisation flash du liquide. Cette vapeur est guidée dans le tube 12 qui peut être divergent de demi-angle (a) à partir de la section du col 1 1 et la vaporisation flash contrôlée par les paramètres géométriques du divergent 12. On obtient donc une vaporisation flash contrôlée, avec une vitesse de vapeur représentée par les flèches 13 possédant une composante principale selon la direction de l'écoulement. Ces deux facteurs permettent de communiquer, avec une bonne efficacité dès le début du flash et dans le sens de l'écoulement, l'énergie cinétique de la vapeur aux gouttelettes formées par la brisure du jet en sortie du col 1 1 et aux gouttelettes arrachées au jet par la vapeur.
Ce type de buse est utilisé dans les éjecteurs et il a été également proposé, dans l'art antérieur, de l'utiliser dans des machines tournantes du type turbine « Hero », chaque bras 1 portant une buse en extrémité.
Le rendement de la détente du fluide diphasique reste cependant médiocre du fait que peu de gouttelettes sont arrachées du jet et que l'écoulement se divise dans la partie tube en un écoulement principalement liquide au centre et un écoulement principalement vapeur en périphérie. Ceci est d'autant plus vrai que le diamètre du jet est important limitant les échanges thermiques et mécaniques entre les phases vapeur et liquide à la périphérie du jet.
Afin d'améliorer le rendement de détente, il a été proposé (document FR 2 944 460) d'ajouter un élément mélangeur à l'aval du col. Cet élément mélangeur 14, représenté sur une buse en figure 7, peut être par exemple une hélice fixe ou mobile. Cet élément 14 mélangeur permet un mélange efficace des phases liquide et vapeur en aval du col 1 1 et ainsi améliorer le couplage mécanique liquide / vapeur.
On peut cependant noter que ces buses ne permettent de traiter qu'un débit liquide très limité. En effet, à pression du liquide constante, toute augmentation du débit passe par une augmentation de la section du col 1 1 de la buse et donc du diamètre du jet en sortie immédiate du col 1 1 . Il est clair que l'augmentation du diamètre du jet va diminuer l'efficacité de la production de vapeur lors du flash, les surfaces d'échange en fonction de la masse d'eau étant diminuées, les échanges thermiques à l'intérieur du jet plus difficiles, et va également diminuer l'efficacité de la formation de microgouttelettes lors de la brisure du jet. Toute augmentation du débit liquide implique également l'augmentation du débit de vapeur produite. Hors, dans le cas de ΙΈΤΜ, la vapeur de très faible densité nécessite de très importantes sections de passage. La section de la buse en sortie du tube 13 devra donc être très importante. Hors, il est nécessaire pour limiter les pertes de charge de l'écoulement de limiter le demi-angle (a) du divergent du tube 12. Une section de sortie importante va donc nécessairement entraîner une longueur du tube 12 très importante, source de perte de charge de l'écoulement et de difficultés de construction importantes. Pour l'exemple, une buse dont le diamètre au col serait de 0,10m permettrait l'écoulement de 0,25m3/s d'eau chaude sous une pression de 4,5 bars. Ce débit nécessiterait un diamètre en sortie de buse de 2,7m et une longueur du tube 12, en limitant le demi-angle du divergent (a) à 5°, de 15,3m. De plus, l'échange thermique entre le cœur du jet de 0, 1 m de diamètre et la vapeur serait très médiocre compte tenu des faibles surfaces de contact. Enfin, la mauvaise efficacité de la formation de microgouttelettes à partir du jet va limiter le frottement entre vapeur et gouttelettes et entraîner la nécessité d'une longueur d'accélération très importante (par exemple une longueur de 46m pour des gouttes de 500 microns de diamètre alors que la longueur est de 0,9m pour des gouttes de 10 microns de diamètre) On peut également noter qu'il faudrait 80 buses de ce type pour traiter un débit de 20m3/s d'eau chaude correspondant à une puissance ETM de 10 MW.
La production d'énergie dans le cadre de ΙΈΤΜ utilisant une turbine « Hero » dont chaque bras 1 porte une unique buse du type de celle représentée sur les figures 6 et 7 en extrémité n'est donc pas possible pour des puissances de quelques MW, compte tenu des débits à traiter.
La figure 8 représente, dans un mode de réalisation, un schéma de principe du dispositif de détente diphasique selon l'invention, apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique. Il s'agit d'une représentation en coupe, sur laquelle un support 61 , sous forme de plaque n'a été représenté, que partiellement.
Une multitude de buses 60 comportant chacune au moins un convergent 65, un col 66 et un tube 67, de préférence divergent dans la direction découlement du fluide, sont disposées adjacentes sur le support, les unes à côté des autres, de façon à ce que le débit total d'eau chaude à traiter soit reparti dans chacune des buses 60. Dans le mode de réalisation représenté, les buses 60 adjacentes sont usinées dans une plaque 61 qui peut être métallique ou en tout matériau résistant à la corrosion et possédant des caractéristiques mécaniques suffisantes. On peut citer pour l'exemple l'acier, le titane ou des matières plastiques ou composites. L'ensemble pourrait, parmi les multiples modes de réalisation possibles, être obtenu par moulage ou tout autre procédé. Les buses 60 pourraient également être produites séparément individuellement et rassemblées par un support adéquat, ou encore directement fixées les unes aux autres par soudage ou collage par exemple. L'eau chaude représentée par la flèche 62 pénètre dans un récepteur 63 dont le rôle est de distribuer l'eau à la multitude de buses 60 en minimisant les pertes de charge de l'écoulement à l'entrée des buses 60. Des atténuateurs de turbulence peuvent être insérés dans le récepteur 63. Des moyens d'étanchéité sont placés entre les buses 60, de sorte qu'une fraction du débit du fluide passe par chaque buse 60, sans circulation de fluide entre les buses 60. Le débit représenté par les flèches 64 passant à travers chaque buse 60 est donc contrôlé par le nombre de buses 60 du dispositif. On peut choisir ce nombre de façon à se situer dans une plage de débit favorable au fonctionnement de chaque buse 60 et aussi de façon à diminuer la longueur nécessaire du tube 67 divergent de chaque buse 60.
En effet, on l'a vu, pour une buse, une augmentation du débit traversant la buse entraine entre autre une augmentation de la longueur du divergent. Selon l'invention, en divisant le débit entre les buses 60 de détente diphasique, celui-ci peut être réglé en adaptant le nombre de buses 60 disponibles sur le support.
La vaporisation flash initiale qui correspondait dans le dispositif de plaque 20 à trous 21 de l'art antérieur à une importante perte d'énergie est dans le dispositif proposé dans la présente invention utilisée efficacement. En effet, la section du col 66 est conçue pour que, dans les conditions de pression et de température d'utilisation du dispositif, un jet ou une nappe de liquide est obtenu en sortie du col 66, dans le tube 67 divergent, où a lieu la détente diphasique, générant un brouillard de gouttelettes dans leur vapeur.
Un élément mélangeur, similaire à celui décrit en référence à la figure 7, peut être intégré dans le tube 67 divergent d'une partie ou de la totalité des buses 60 de détente diphasique.
Dans un mode de réalisation, selon la figure 8, la totalité de la détente disponible est réalisée dans chacune des buses 60. Le fluide diphasique en sortie des buses 60 est donc constitué de gouttelettes liquides 68 accélérées et dispersées dans la vapeur. La détente et l'accélération des gouttelettes étant terminées en sortie des buses 60, ce fluide sera alors guidé vers les dispositifs aval de récupération de l'énergie cinétique des gouttelettes et de condensation de vapeur dans le cas du procédé mistlift et de condensation de vapeur et de récupération du liquide dans le cas du procédé utilisant le principe de la turbine « Hero ». Les flèches référencées 69 indique le sens de déplacement des gouttelettes et de la vapeur. Pour revenir à l'exemple précédent d'une centrale ETM de 10 MW nécessitant un débit d'eau chaude de 20m3/s sous une pression d'entrée de 4,5 bars et en limitant l'angle (a) du divergent à 5°, il faudrait environ 800 000 buses de diamètre de col 0,001 m avec un diamètre de sortie de 0,025m et une longueur de tube de 0,12m.
Ainsi, il n'y a pas de perte d'énergie cinétique par expansion de la vapeur transversalement aux flèches 29, la vapeur ayant été créée dans sa quasi-totalité en étant guidée dans les tubes 67 divergents des buses 60 diphasiques. Dans un autre mode de réalisation, selon la figure 9, la détente réalisée dans chacune des buses 60 n'est que partielle, de sorte que le fluide en sorti des buses 60 peut encore être détendu. Un conduit 70 dont la section varie de façon appropriée et formant un divergent commun à la pluralité de buses 60 de détente diphasique, prolonge l'ensemble des buses 60 dans le sens d'écoulement du fluide. Le conduit 70 divergent commun permet de terminer la détente du fluide diphasique et de terminer la phase d'accélération des gouttelettes dans une zone d'accélération 71. Cette disposition permet à la fois de réaliser la première partie de détente dans les buses 60 dans des conditions d'efficacité favorable pour ce qui concerne cette détente initiale et le fractionnement du jet en micro gouttelettes et avec un bon guidage du fluide diphasique et de réaliser la fin de la détente avec une perte de charge minimum en minimisant les surfaces de paroi.
Une attention particulière sera portée à limiter toute variation de section brutale de la section de passage de la vapeur en sortie immédiate des buses, pour éviter une expansion de la vapeur transversalement aux flèches 69.
Plusieurs configurations sont possibles pour ce faire et on peut citer :
1. arranger la section de sortie des buses 60 de façon à ce qu'il n'y ait pas ou peu d'espace entre deux buses 60 adjacentes. Les figures 10a et 10b représentent respectivement en vue de dessus et en coupe partielles une section 72 de sortie des buses 60 quasi carrée permettant de minimiser l'espace entre buses 60. La section de passage de la vapeur varie donc peu en sortie immédiate des buses évitant une détente brutale source de perte de charge.
2. insérer des éléments prolongateurs 73 à section variable en sortie de buses 60 permettant d'assurer une continuité de la variation de section. Une disposition possible de ce type d'élément est représentée en vue de dessus et en coupe partielles respectivement sur les figures 1 1a et 1 1 b. Dans ce mode de réalisation, les éléments prolongateurs remplissent l'espace entre et au niveau des sorties du tube 67 divergent des buses 60. Leur section varie ensuite progressivement.
Il a été représenté sur les figures 1 1a et 1 1 b un mode de réalisation dans lequel la section des éléments 73 prolongateurs diminue progressivement, permettant une expansion de la vapeur sur la zone référencée 74. Dans un mode de réalisation, l'eau froide nécessaire à la condensation de la vapeur produite peut être éjectée sous former de spray depuis ces éléments 73 prolongateurs au moyen de canalisations d'amenée et d'injecteurs appropriés. Cette disposition permet de condenser la vapeur au plus près de la fin de la zone d'accélération 71 des gouttelettes et donc de diminuer les pertes de charge et également d'introduire le spray d'eau froide 75 dans le flux diphasique avec une forte composante de la vitesse initiale dans le même sens que le flux diphasique pour n'obtenir qu'un seul flux.
De la même façon, lorsque la totalité de la détente est réalisée dans les buses 60, le spray d'eau froide peut être positionné sur l'espace disponible entre les sorties de buses 60, avec une forte composante de la vitesse initiale dans le même sens que le flux diphasique pour n'obtenir qu'un seul flux. Le jet liquide sortant du col 66 de chaque buse 60 et se désintégrant ensuite sous forme de gouttelettes peut être de section quelconque, le plus souvent circulaire. La forme de sa section est générée par la forme de la section du col de la buse.
Dans les exemples précédents, le liquide en sortie du col 66 est sous forme de jet, c'est-à-dire avec toutes les dimensions de l'écoulement dans un plan perpendiculaire à l'écoulement du même ordre de grandeur. En effet, la section du col 66, dans un plan perpendiculaire à l'écoulement du liquide est par exemple circulaire ou carrée : le jet a alors une section circulaire ou carré et toutes les dimensions de l'écoulement dans un plan perpendiculaire à l'écoulement de même ordre de grandeur.
Les figures 12a et 12b représentent respectivement en vue de dessus et en coupe partielles un autre mode de réalisation dans lequel la forme de la section du col 66 des buses 60 est arrangée de façon à produire et éjecter une nappe liquide au lieu d'un jet liquide. Une nappe liquide désigne une épaisseur du flux liquide très inférieure à sa largeur. Dans ce cas, la section du col 66 pourra être, par exemple, rectangulaire comme représentée sur la figure 12 ainsi que la section du convergent 65 et du tube 67 divergent des buses. Cette disposition permet de faciliter la réalisation de l'ensemble de buses, le col étant une fente 80 allongée et de diminuer le nombre de buses 60 pour un même débit, chaque buse 60 ayant un grand allongement. Ce mode de réalisation permet également de minimiser l'espace entre buses 60 en sortie de buses 60. Il diminue par contre légèrement les surfaces en contact entre liquide et vapeur et les échanges thermiques.
Le dispositif ainsi formé pour détendre un fluide permet alors de maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique. En effet, grâce au guidage de la détente de la vapeur dans la multitude de buses 60 diphasiques, d'une part les débits avec lesquels le dispositif peut travailler peuvent être augmentés sans augmenter la longueur de l'ensemble et d'autre part les pertes de charge dues notamment à l'expansion de la vapeur sont diminuées, l'atomisation du flux liquide en sortie de col est plus efficace permettant d'obtenir des gouttelettes plus petites et un meilleur couplage vapeur liquide. La puissance potentielle fournie par le dispositif, lorsqu'il est intégré par exemple dans un dispositif mettant en œuvre le procédé mistlift, est grandement supérieure à celle obtenue avec les dispositifs de l'état de la technique.
La désintégration (l'atomisation) du jet ou de la nappe en sortie du col 66 des buses 60 est un facteur très important de l'efficacité du dispositif. En effet, plus la taille des gouttelettes générées est petite, plus le couplage mécanique par frottement entre la phase liquide et la phase vapeur est important, et plus l'ensemble est efficace.
De nombreuses dispositions ou dispositifs additionnels peuvent être utilisés dans le dispositif de l'invention. On peut citer, sans que cela soit exhaustif :
• modifier la géométrie des buses 60 ou insérer des éléments permettant de créer des variations de pression à l'intérieur du jet liquide, des turbulences, des variations de vitesse ; • forcer l'atomisation par des méthodes actives comme l'assistance par ultrasons, l'application d'une oscillation de vitesse ou de pression, l'injection de charges électriques, l'injection d'ondes acoustiques.
Le dispositif selon l'invention permet de créer un flux diphasique avec une bonne efficacité en maximisant la quantité de mouvement crée.
Il s'adresse plus particulièrement à des liquides chauds à faible densité de vapeur aux températures de fonctionnement considérées et/ou à des cas où les débits de liquide chaud à traiter sont très importants.
Il est particulièrement adapté pour être inséré en extrémité des bras d'une turbine « Hero » pour la propulser par réaction ou pour remplacer le générateur de brouillard et la zone d'accélération de l'art antérieur dans les procédés mistlift.
Une application préférentielle est l'Energie Thermique des Mers.
Il va maintenant être décrit un exemple d'utilisation du dispositif de détente diphasique dans un dispositif mettant en œuvre une turbine de type « Hero ».
La figure 13 représente un premier mode de réalisation vue en coupe de dessus d'un dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique, de type « Hero ». Elle est complétée par la figure 14 qui représente ce même dispositif de type « Hero » vue en coupe de coté. Les dessins sont purement schématiques et ont pour fonction d'aider à la compréhension du dispositif.
Le dispositif de conversion fait partie d'une installation, laquelle peut comprendre plusieurs dispositifs de conversion. L'installation est en connexion fluidique d'une part avec une source chaude d'un fluide dit chaud et d'autre part avec une source froide d'un fluide dit froid, le fluide froid étant à une température inférieure à celle du fluide chaud. Dans les exemples décrits, le fluide chaud et le fluide froid sont de l'eau.
Le dispositif de conversion comprend une enceinte 100 et délimitant un milieu intérieur. L'enceinte 100 présente un axe 103 dit de rotation, fixe par rapport à l'enceinte 100. L'axe 103 de rotation, lorsque l'installation est mise en place, est de préférence sensiblement vertical.
L'adjectif « vertical » doit ici est compris en référence à la pesanteur, c'est-à-dire comme désignant une direction parallèle à la pesanteur.
Dans ce qui suit, « axial » désignera toute direction parallèle à l'axe 103 de rotation et « transversal » désignera toute direction perpendiculaire à l'axe 103 de rotation. Par ailleurs « radial » désignera dans la suite toute direction, dans un plan transversal, sécante avec l'axe 103 de rotation, et « orthogonale » toute direction, dans un plan transversal, non sécante avec l'axe de rotation, par référence aux composantes d'une vitesse de rotation autour de l'axe 103 de rotation.
Par exemple, l'enceinte comprend une paroi délimitant le milieu intérieur, et de section transversale à l'axe 103 de rotation sensiblement circulaire ou elliptique autour de l'axe 103 de rotation. La paroi de l'enceinte 100 permet d'assurer l'étanchéité entre l'atmosphère extérieure et l'intérieur de l'enceinte 100, où un vide partiel est maintenu, par exemple de l'ordre de 0,013 bars dans le cadre de ΙΈΤΜ.
Cette enceinte 100 peut être fabriquée en tout matériau permettant d'assurer sa résistance et son étanchéité. On peut citer, sans que cette liste soit exhaustive, le béton, l'acier, les matériaux composites parmi les matériaux possibles ou une combinaison de ces matériaux.
Compte tenu des grandes dimensions de cette enceinte 100, on adoptera de préférence une forme permettant de résister au mieux à la pression extérieure, telles que les formes en partie elliptique, hémisphérique, cylindrique, etc.
L'enceinte 100 représentée sur les figures 13 et 14 peut comprendre des moyens de flottaison, et ainsi être flottante à la surface d'un océan, ou de toute autre étendue d'eau, maintenue totalement immergée entre deux eaux par des ancrages ou maintenue partiellement immergée par des ancrages de façon à s'affranchir des contraintes de la houle.
Il peut également s'agir d'une structure posée à terre ou posée et maintenue sur le fond d'une étendue d'eau lorsque la hauteur d'eau n'est pas trop importante, par exemple pour s'affranchir de longueur de tuyau d'amenée d'eau froide trop importante.
Le dispositif comprend une canalisation 1 12 d'entrée, permettant d'amener et de distribuer à l'intérieur de l'enceinte 100 de l'eau chaude. La flèche 1 13 représente l'arrivée de l'eau chaude dans la canalisation 1 12 d'entrée. L'eau chaude est pompée à une première profondeur sous la surface de l'océan, dans une zone de profondeur où l'eau est à température maximum, en général entre 0 et 100m.
Le dispositif de conversion comprend un distributeur 150, en connexion fluidique avec la source chaude. Plus précisément, selon un mode de réalisation, le distributeur 150 comprend une première canalisation 102 dite centrale, s'étendant selon l'axe 103 de rotation, et en connexion fluidique avec la canalisation 1 12 d'entrée. Le distributeur 150 comprend également une deuxième canalisation 104, dite d'arrivée, s'étendant transversalement à l'axe 103 de rotation à partir de la canalisation 102 centrale. Comme illustré sur la figure 13 notamment, le distributeur comprend quatre canalisations 104 d'arrivée, réparties à 90° autour de l'axe 103 de rotation, fixées chacune rigidement à la canalisation 102 centrale. Le nombre et la répartition des canalisations 104 d'arrivée pourront toutefois en être autrement. Les canalisations 104 d'arrivée peuvent être rectilignes ou incurvées.
Ainsi, l'eau chaude pénètre dans la canalisation 1 12 d'entrée et arrive aux canalisations 104 d'arrivée en passant par la canalisation 102 centrale.
L'eau chaude pénètre dans la canalisation 102 centrale qui est montée en rotation autour de l'axe 103 de rotation par rapport à l'enceinte 100, et plus précisément, par rapport aux parois de l'enceinte 100.
Un joint tournant d'étanchéité 1 14 permet d'assurer l'étanchéité entre la canalisation 1 12 d'entrée et la canalisation 102 centrale tout en autorisant leur rotation relative. Des paliers 1 15 équipés des moyens nécessaires, tels que roulements, butées, etc. permettent de maintenir la canalisation 102 centrale sensiblement parallèle à et alignés sur l'axe 103 de rotation.
Les canalisations 102, 104, 1 12 peuvent être réalisées en tout matériau permettant d'assurer la résistance mécanique de l'ensemble vis à vis notamment des forces centrifuges.
On peut citer par exemple, sans que cela soit exhaustif l'acier, l'aluminium, les matériaux composites.
Le dispositif de conversion comprend au moins un dispositif 106 de détente diphasique, selon l'invention, fixé rigidement à l'extrémité libre d'une canalisation 104 d'arrivée, laquelle forme un bras, permettant de générer et d'accélérer un brouillard de gouttelettes d'eau dans leur propre vapeur, à l'intérieur de l'enceinte 100. Selon l'exemple des figures 13 et 14, le dispositif de conversion comprend quatre canalisation 104 d'arrivée réparties autour de l'axe 103 de rotation, un dispositif 106 de détente diphasique selon l'invention étant fixé rigidement à l'extrémité de chaque bras 104.
Ainsi, l'ensemble formé par la canalisation 102 centrale, les canalisations 104 d'arrivée, les dispositifs 106 de détente diphasique, lesquels peuvent éventuellement comprendre un conduit 70 divergent commun, est dit tournant car pivotant autour de l'axe 103 de rotation par rapport à l'enceinte 100. La rotation de l'ensemble tournant est représentée par la flèche 1 1 1.
L'eau, sous l'effet de la rotation de l'ensemble tournant, acquiert de la pression, et la rotation de l'ensemble tournant est entretenue par l'accélération du brouillard sortant des dispositifs 106 de détente diphasique qui crée par réaction une poussée et entraîne l'ensemble tournant en rotation.
La rotation de l'ensemble tournant peut, si besoin, être amorcée par un dispositif auxiliaire, tel qu'un moteur, ou encore une pompe mettant l'eau sous pression dans la canalisation 104 d'arrivée, et dont la puissance serait diminuée au fur et à mesure que la vitesse de rotation de l'ensemble tournant augmente jusqu'à atteindre une vitesse déterminée.
Un dispositif de roulage peut être associé à l'ensemble tournant. Le dispositif de roulage se présente par exemple sous la forme d'un train de roues, permettant d'accompagner la rotation de l'ensemble tournant dans l'enceinte 100 autour de l'axe 103 de rotation. Eventuellement, le dispositif de roulage est rétractable.
L'eau chaude sous pression est reçue en extrémité de chaque conduite 104 d'arrivée dans le distributeur 105 du dispositif 106 de détente diphasique dont la forme permet de minimiser les pertes de charges dues au déplacement de l'eau et d'éjecter sous l'effet de la pression l'eau à travers les buses 60 de détente diphasique .
Il est donc obtenu, en sortie des buses 60 de détente diphasique, un brouillard 8 de gouttelettes d'eau liquide dispersées dans la vapeur générée par leur propre évaporation partielle.
L'ensemble est ensuite guidé éventuellement dans le conduit 70 divergent commun, dont la forme adaptée permet d'obtenir la détente complète de la vapeur jusqu'à la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte de l'ordre de 0,013 bars. Chaque conduit 70 divergent commun est orienté approximativement orthogonalement à l'axe 103 de rotation sur l'extrémité libre de la canalisation 104 d'arrivée correspondante, permettant de générer un brouillard 8 de milliards de gouttelettes, le brouillard 8 de vapeur et de gouttelettes étant animé d'une vitesse initiale en sortie du dispositif 106 de détente diphasique représentée par les flèches 109, dont la direction orthogonale est approximativement opposée à la composante orthogonale de la vitesse 1 1 1 de rotation de l'ensemble tournant.
Au cours de la détente, la vapeur transforme son enthalpie en énergie cinétique. La pression et la température de la vapeur diminuent progressivement.
Compte tenu de la très faible masse unitaire des gouttelettes, les forces de frottement et de viscosité sont très largement supérieures au poids de celles-ci et permettent une accélération importante des gouttelettes. La vapeur transmet donc une grande partie de son énergie de détente aux gouttelettes. Dans le même temps, la vapeur se refroidissant et la pression diminuant au cours de la détente, les gouttelettes continuent sur leur trajet à produire de la vapeur permettant à la vapeur d'atteindre près de 2,6% de la masse liquide.
En sortie de chaque dispositif 106 de détente diphasique, les gouttelettes ont donc été accélérées par la vapeur et possèdent une vitesse supérieure à la vitesse de rotation de l'ensemble tournant.
Plus de 80% de l'énergie de détente de la vapeur peut être transférée sous forme d'énergie cinétique aux gouttelettes.
La masse des gouttelettes représentant près de 98% de la masse totale du brouillard, cette énergie cinétique n'a permis d'augmenter que peu la vitesse des gouttelettes alors que si la vapeur avait été détendue seule, elle aurait atteint des vitesses de sortie très importantes compte tenu de sa très faible masse.
Or, nous savons que pour obtenir des efficacités importantes avec, il est souhaitable que la vitesse du fluide en sortie du dispositif 106 de détente diphasique soit la plus proche possible de la vitesse périphérique due à la rotation afin de minimiser la vitesse absolue du fluide à la sortie.
Ainsi, l'efficacité du dispositif de conversion peut être supérieure à 75% suivant les conditions.
A la sortie des dispositifs 106 de détente diphasique, les phases vapeur et liquide se séparent, le flux 128 de vapeur étant aspiré par la dépression régnant au niveau de moyens 1 16 de condensation à l'intérieur de l'enceinte 100, du fait d'une pompe 1 19 à vide placée en aval des moyens 1 16 de condensation par rapport à la circulation de la vapeur à l'intérieur de l'enceinte 100. La pompe 1 19 à vide permet par ailleurs de maintenir le vide partiel à l'intérieur de l'enceinte 100 tout en évacuant les gaz non condensables et la partie de vapeur qui ne se serait pas condensée (flèche 126).
Ces moyens de condensation 1 16 doivent permettre la condensation par échange thermique direct ou/et indirect avec de l'eau de mer froide issue des profondeurs, et plus précisément à une deuxième profondeur, supérieure à la première profondeur d'où est pompée l'eau chaude. Selon le mode de réalisation présenté, les moyens 1 16 de condensation comprennent un ensemble de canalisations 1 17 permettant d'amener de l'eau froide 127 à l'intérieur de l'enceinte 100 et un système 1 18 de pulvérisation de l'eau froide sur la vapeur permettant sa condensation. Le système de pulvérisation 1 18 peut être une combinaison de différents systèmes à courants croisés, contre courants, etc.
Les moyens 1 16 de condensation peuvent être composé en tout ou partie d'échangeurs indirects entre l'eau froide et la vapeur permettant, si c'est souhaité, de fabriquer de l'eau douce à partir de la vapeur en récupérant sa phase condensée.
Un moyen de récupération et d'évacuation de cette eau douce devra alors être ajouté afin d'éviter toute pollution par l'eau de mer froide.
Dans la configuration présentée sur les figures 14 et 16, un récupérateur 120 permet de récupérer ensemble l'eau froide et la vapeur condensée et une pompe 121 permet de les évacuer à l'extérieur de l'enceinte 1 (flèche 125). De même, un récupérateur 122 permet de récupérer l'eau chaude et une pompe 123 permet de l'évacuer à l'extérieur de l'enceinte (flèche 124).
Dans cette configuration, a également été représenté un générateur 131 permettant de transformer l'énergie mécanique de rotation de l'ensemble tournant en énergie électrique. Il s'agit d'un alternateur 131 linéaire rotatif directement couplé sur la partie supérieure de la canalisation 102 centrale en rotation, par exemple du type de ceux que l'on installe sur les éoliennes. Ce choix permet de se passer d'une très coûteuse boîte de réduction et semble intéressant compte tenu des vitesses de rotation envisagées. Cet alternateur 131 peut bien sur être installé à l'intérieur de l'enceinte 100 ou à l'extérieur de celle ci à la condition de prolonger la canalisation 102 centrale par un axe en rotation. Un système classique génératrice/boite de réduction peut également être considéré.
On peut également envisager de récupérer l'énergie mécanique de rotation de l'ensemble tournant et de la transformer en énergie électrique au moyen d'un groupe 133 hydroélectrique.
Par exemple, le groupe 133 hydroélectrique peut être inséré dans la conduite 102 centrale de fluide chaud lorsque celui-ci arrive sous pression comme illustré sur la figure 16. En variante, plusieurs groupes hydroélectriques peuvent être insérés dans chacune des conduites 104 d'arrivée, utilisant la mise en pression générée par la rotation de l'ensemble tournant
On peut également envisager que seules des hélices ou roues hydrauliques sont insérées dans chacune des conduites 104 d'arrivée, un système de transmission permettant de ramener l'ensemble de l'énergie mécanique collectée vers une génératrice unique.
II est également envisageable de fixer un même dispositif 106 de détente diphasique à plusieurs conduites 104 d'arrivée, c'est-à-dire que le distributeur 105 d'un dispositif 106 de détente diphasique est alimenté en eau par plusieurs conduites 104 d'arrivée.
La figure 15 représente une vue schématique de l'ensemble tournant et notamment de ses éléments 104, 105, 60 et 70.
II est très important pour l'efficacité du dispositif de minimiser les pertes de charge dans les canalisations 104 d'arrivée et le distributeur 105 de chaque dispositif 106 de détente diphasique. Les formes et les sections adaptées à cet impératif seront donc choisies pour ces éléments. De la même façon, le dispositif 106 de détente diphasique devra présenter une perte de charge minimum. La forme des buses 60 de détente diphasique, leur diamètre, leur espacement, leur matériau seront adaptés également à cet impératif.
La formation d'une multitude de micro-jets en sortie du dispositif 106 de détente diphasique permet de créer le brouillard dans lequel la phase continue est la vapeur 108 et la phase dispersée les gouttelettes.
Cette multitude de gouttelettes présente une surface de contact avec la vapeur très favorable aux échanges thermiques.
Un angle A entre la vitesse 1 1 1 orthogonale due à la rotation de l'ensemble tournant et la vitesse 109 d'éjection du fluide en sortie du générateur 106 de brouillard a été représenté sur la figure 15. Il est en effet nécessaire d'éviter que les gouttelettes liquides, après leur éjection du dispositif 106 de détente diphasique, viennent percuter le récepteur 105 du dispositif 106 de détente diphasique suivant selon le sens de rotation.
Une solution peut être de donner un angle A non nul, de façon à ce que les gouttelettes liquides soient éjectées avec une composante vers la périphérie suffisante pour leur éviter de percuter le récepteur 105 du dispositif 106 de détente diphasique suivant. Cet angle devra être minimum afin de minimiser la perte de puissance occasionnée. Un angle de 5° à 15° peut convenir dans certaines configurations.
Une éjection dans toute autre direction que la périphérie pourrait également convenir à la condition de permettre d'éviter toute percussion avec l'ensemble tournant.
Afin de bien comprendre l'ensemble des avantages apportés par le dispositif de conversion muni du dispositif 106 de détente diphasique objet de la présente invention, il est intéressant de détailler un exemple chiffré de réalisation d'un tel dispositif.
A noter que les chiffres indiquées ci dessus sont donnés à titre purement indicatifs et dépendent largement des hypothèses choisies.
Prenons le dispositif 106 de détente diphasique objet de la présente invention utilisé dans le cadre de ΙΈΤΜ avec une température d'eau chaude de 25°C et d'eau froide de 8°C à l'entrée du dispositif de conversion.
Les débits sont de 6,5 m3/s pour l'eau chaude et l'eau froide.
Le dispositif de conversion a un rayon de l'ensemble tournant de 20m pour une vitesse de rotation de 2rd/s (radians par seconde).
La vitesse périphérique due à la rotation est de 40m/s.
En prenant en compte une géométrie optimisée, la pression de l'eau chaude due à la rotation est de 8,4 bars dans le récepteur 105 des dispositifs 106 de détente diphasique entraînant une vitesse 109 d'éjection de 54 m/s à la sortie des dispositifs 106 de détente diphasique.
Pour un diamètre de gouttelettes de 0,2mm correspondant à des buses 60 de détente diphasique de diamètre 0, 1 mm et une vitesse de glissement moyenne entre gouttelettes et vapeur de 80m/s, les forces de frottement et de viscosité agissant sur chaque gouttelette sont 10 fois supérieures au poids de chaque gouttelettes permettant une accélération de près de 230m/s2 des gouttelettes.
La puissance mécanique restituée est de 3500 KW.
Tout d'abord, on peut constater que la vitesse de sortie des gouttelettes, qui représente 98% de la masse éjectée, est proche de la vitesse périphérique, ce qui permet l'excellente efficacité du dispositif de conversion.
Un dispositif classique de conversion de turbine à vapeur ou de turbine diphasique sans couplage important phase liquide / vapeur aboutirait à des vitesses de vapeur de près de 400m/s
Pour obtenir des vitesses périphériques équivalentes, il serait alors nécessaire d'avoir des vitesses de rotation très importantes entraînant en conséquence des forces centrifuges inacceptables pour les éléments tournants.
Le dispositif de conversion présenté, muni de dispositifs 106 de détente diphasique selon l'invention, permet donc tout en maintenant une efficacité élevée de limiter les vitesses de rotation et les forces centrifuges grâce à un excellent couplage mécanique de la phase liquide et vapeur.
Les dimensions, les vitesses de rotation, les masses et les forces centrifuges restent dans les valeurs rencontrées dans l'éolien de moyenne puissance.
Dans l'exemple considéré, les vitesses de sortie du dispositif 106 de détente diphasique restent cependant suffisamment élevées (environ 60m/s) pour permettre des dimensions du dispositif 106 de détente diphasique modérées.
Le dispositif de conversion permet de choisir la vitesse de rotation et le rayon de l'ensemble tournant ainsi que les dimensions des gouttelettes produites et les dimensions du dispositif 106 de détente diphasique, et notamment la dimensions des buses 60 de détente diphasique et la longueur du conduit 70 divergent commun permettant de trouver le meilleur compromis entre les contraintes suivantes :
- vitesses de sortie du dispositif 106 de détente diphasique élevées permettant des sections limitées,
bon couplage vapeur/eau pour une bonne efficacité et
forces centrifuges acceptables,
pour ne citer que certains des critères.
La longueur de parcours des gouttelettes dans le dispositif de conversion proposé est très limitée, limitant les nombres de collision entre gouttelettes et avec les parois, source de pertes d'énergie importante, contrairement aux dispositifs de conversion proposant une élévation verticale de la phase liquide nécessitant des parcours de près de 100m.
Il évite les échangeurs de chaleur indirects coûteux et gigantesques des solutions à cycle fermé et ne nécessite que des matériaux disponibles partout, peu chers avec peu de contraintes de fabrication. Il va maintenant être décrit un exemple d'utilisation du dispositif de détente diphasique selon la présente invention dans un dispositif mettant en œuvre une turbine de type à action, par exemple une turbine type Pelton.
L'utilisation du dispositif de détente diphasique selon la présente invention va être décrite ci- dessous dans une turbine Pelton, l'utilisation dans un autre type de turbine à action pouvant être facilement déduite de celle-ci.
Une turbine Pelton utilise l'énergie cinétique d'un jet liquide produit par un ou des injecteurs pour produire de l'énergie mécanique. L'injecteur a pour fonction de transformer l'énergie de pression de l'eau en énergie cinétique.
Le dispositif de détente diphasique selon la présente invention transforme l'énergie thermique d'un fluide chaud en énergie cinétique sous forme de gouttelettes et de vapeur accélérées. L'utilisation du dispositif de détente diphasique en lieu et place d'un injecteur permet de propulser sur des augets de turbine Pelton un flux de gouttelettes et de vapeurs à forte vitesse. Afin de conserver une bonne efficacité, la forme et la taille des augets et les grandeurs caractéristiques de la turbine Pelton peuvent être adaptées en conséquence. Plusieurs dispositifs de détente diphasique peuvent être utilisés pour une même roue de turbine Pelton.
Le dispositif de détente diphasique proposé suivant l'invention permet de transformer en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans deux fluides à faible différence de température avec une bonne efficacité et un dispositif simple et peu coûteux.
Il est particulièrement adapté à l'énergie thermique des mers, à la géothermie et à la récupération de chaleur industrielle.

Claims

Revendications
Dispositif (106) de détente diphasique apte à maximaliser la quantité de mouvement produite par un écoulement diphasique provenant de la détente d'un important débit saturant d'un fluide en provenance d'une source dite chaude, le dispositif (106) de détente diphasique étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins :
• un distributeur (105) permettant de distribuer le fluide en provenance de la source chaude à une multitude de buses (60) de détente diphasique ;
• une multitude de buses (60) de détente diphasique adjacentes et à axes sensiblement parallèles, chaque buse (60) de détente diphasique comprenant successivement au moins un convergent (65), un col (66) et un tube (67) et les buses (60) de détente diphasique étant disposées pour recevoir chacune une partie du débit provenant de la source chaude ;
• des moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses (60) de détente diphasique et comprenant des moyens de séparation étanche entre les buses (60) de détente diphasique.
Dispositif (106) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la section du col (66) d'au moins une buse (60) de détente diphasique est conçue pour produire un jet liquide.
Dispositif (106) selon la revendication 2 caractérisé en ce que la section du col (66) de la au moins une buse (60) de détente diphasique pour produire un jet liquide est de forme circulaire ou carrée.
Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la section du col (66) d'au moins une buse (60) de détente diphasique est conçue pour produire une nappe liquide.
Dispositif (106) selon la revendication 4 caractérisé en ce que la section du col (66) de la au moins une buse (60) de détente diphasique pour produire une nappe liquide est en forme de fente (80) allongée.
Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que une au moins des buses (60) de détente diphasique comporte un élément (14) mélangeur en aval du col (66).
7. Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la totalité de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses (60) de détente diphasique. Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que seulement une partie de la détente du débit saturant est réalisé dans chacune des buses (60) de détente diphasique, le reste de la détente étant réalisé dans un conduit (70) formant divergent commun prolongeant l'ensemble des buses (60) de détente diphasique.
Dispositif (106) l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'espace entre les buses (60) de détente diphasique en sortie de tube (67) est minimalisé au moyen d'une géométrie de sortie de buses adaptée, de sorte que la sortie du tube (67) d'une première buse (60) de détente diphasique est en contact avec la sortie du tube (67) d'une deuxième buse (60) de détente diphasique adjacente à la première buse (60) de détente diphasique.
10. Dispositif (106) selon la revendication 7 caractérisé en ce que du liquide (65) en provenance d'une source dite froide, à une température inférieure à celle de la source chaude, et destiné à condenser la vapeur produite est éjecté sous forme de spray depuis l'espace disponible entre les buses (60) de détente diphasique en sortie du tube (67) des buses (60) de détente diphasique avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant des buses (60) de détente diphasique.
1 1. Dispositif (106) selon la revendication 8 caractérisé en ce que le dispositif comporte des éléments (73) prolongateurs à section variable en sortie du tube (67) des buses (60) de détente diphasique permettant d'assurer une continuité de la variation de section de l'écoulement diphasique depuis la sortie du tube (67) des buses (60) de détente diphasique jusqu'à la sortie du conduit (70) formant divergent commun prolongeant les buses (60) de détente diphasique.
Dispositif (106) selon la revendication 1 1 caractérisé en ce que du liquide (65) en provenance d'une source dite froide, à une température inférieure à celle de la source chaude, et destiné à condenser la vapeur produite est éjecté sous forme de spray depuis les éléments (73) prolongateurs avec une forte composante en vitesse dans le sens de l'écoulement diphasique sortant du conduit prolongeant le tube (67) des buses (60) de détente diphasique .
Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses (60) de détente diphasique comprennent une plaque, les buses (60) de détente diphasique étant usinées dans la plaque ou moulées avec la plaque.
14. Dispositif (106) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens permettant d'assurer le maintien de la multitude de buses (60) de détente diphasique comprennent des moyens pour souder ou pour coller les buses (60) de détente diphasique entre elles.
15. Turbine de type « Hero » caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif de détente diphasique selon l'une quelconque des revendications précédentes à l'extrémité d'au moins un de ses bras (1 ). 16. Turbine de type à action caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif de détente diphasique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 utilisé en tant qu'injecteur.
17. Dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique utilisant le procédé mistlift caractérisé en ce qu'il comporte au moins un dispositif de détente diphasique selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 pour produire et accélérer les gouttelettes de liquide chaud, le dispositif de conversion utilisant le procédé mistlift comprenant des moyens de connexion fluidique avec une source chaude et des moyens de connexion fluidique avec une source froide.
18. Dispositif de conversion selon la revendication 17 caractérisé en ce que la source chaude est l'eau chaude à une première profondeur sous la surface de l'océan et la source froide est l'eau froide à une deuxième profondeur supérieure à la première profondeur sous la surface de l'océan.
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