FR3149963A1

FR3149963A1 - Échangeur de chaleur

Info

Publication number: FR3149963A1
Application number: FR2305889A
Authority: FR
Inventors: Saffet ÖZTÜRK
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-06-11
Filing date: 2023-06-11
Publication date: 2024-12-20
Anticipated expiration: 2043-06-11
Also published as: FR3149963B1

Abstract

La présente invention concerne un échangeur de chaleur en forme de tube (Figure 1) cylindrique en acier inoxydable lisse se compose de trois tube (5-6-7) concernant des méthodes de vaporisation de l'eau (de mer, de pur, de douce ou des eaux usées) afin de produire de la vapeur d’eau (3) par un procédé de l'énergie solaire thermodynamique à concentration que par la chaleur de géothermique et d’autre forme de chaleur avec cogénération et par extension d'application de production de vapeur et de produire de l'hydrogène, de l'oxygène par électrolyse. Pour ses applications de procédé, il se présente sous la forme d'un tube cylindrique de diamètre variable (8-9) selon la quantité d’eau (2) à vaporiser et avec une longueur (8) et sa largeur (9) définie et modulée à partir des paramètres de flux d'un fluide caloporteur (1-4) chauffé par l'énergie solaire concentré in situ. L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable se caractérise par sa capacité particulière d'interaction de procédé par lequel se réalise un transfert thermique par convection et conduction par le tube (6), soit un transfert de chaleur d'un corps chaud, la fluide colporteur huile (7), vers un corps plus froid (5), qui est un fluide l'eau (2). A partir de travaux simples effectués dans la zone d'ensoleillement où on peut placer sur la surface, de sous-sols ou d’un puit géothermique de moyenne ou haute enthalpie. L'échangeur chaleur de température en forme de tube cylindrique en acier inoxydable étant installé et aménagé, des systèmes de conduites amènent l'eau (2) dans l'espace prévu jusqu'au système de transfert de chaleur selon l'invention afin d'y porter la température du fluide à une valeur supérieure à celle d'ébullition, pour ensuite par le même système de conduite être remontée en surface pour être vaporisée par sa mise à l'extérieur (3) de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable par son procédé d'utilisation se rapporte par ses fonctions aux méthodes de vaporisation de l'eau (de mer, douce et des eaux usées) par évaporation.

Description

Échangeur de chaleur EC3

La présente invention concerne un système de production de vapeur d’eau et d'électricité avec cogénération par un échangeur de chaleur en forme de trois tubes cylindriques en acier inoxydable lisse. Ce système, via des méthodes de vaporisation de l’eau pur, de l’eau douce ou de l’eau de mer permet de produire d’une part de la vapeur d'eau saturée ou sèche, par un procédé d’énergie solaire thermodynamique à concentration, et d'autre part par cogénération d'obtenir de l'énergie électrique, de l’hydrogène et de l’oxygène à très bas coût.

I – Champs techniques

La présente invention d'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse, nous allons le nommer EC3, est un procédé par lequel est réalisé un transfert de chaleur par convection, ce qui signifie une différence de température entre deux milieux, un fluide qui est l'eau (douce, pur ou mer) et un flux thermique issu d'un corps solide, dans un autre tube cylindrique en acier inoxydable rempli par une fluide caloporteur hautement chaude (huile ou sel fondu) chauffé ou réchauffé par une centrale de l’énergie solaire à concentration.

L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse, pour son fonctionnement et sa capacité d'interaction thermique, est installé sur la surface dans une cuve cylindrique et aménagé à partir de travaux préliminaires qui sont effectués sur la terre à côté des capteurs solaire paraboliques à concentration ou dans des sous-sols, sans ou avec la cuve cylindrique, ou dans de puit géothermal de moyenne ou haute enthalpie, si les conditions de chaleur géothermiques et les flux thermiques le permettent. Pour sa fonction, l'énergie utilisée peut être l’énergie solaire concentrée ou l’énergie géothermique, deux ressources naturelles énergétique primaire, locales, abondantes et inépuisables sur terre.

Pour la présente invention, l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable, de par sa son concept et son procédé thermique, permet d'optimaliser le vecteur convectif de transfert de chaleur d'un corps chaud vers un corps plus froid. Pour cela, l'énergie renouvelable utilisée, l’énergie solaire concentrée, tient ici un rôle important dans la fonction de l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable, ceci afin que l'eau (douce, pur) en circulation dans l'échangeur soit vaporisée in fine une fois sortie de l’échangeur de chaleur ou à l’extérieur du tube cylindrique pour être envoyée à la turbine à vapeur pour la production de l’électricité.

Pour l'invention, l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable proposé et l'énergie solaire concentrée en tant que vecteur énergétique sont étroitement liés. En utilisant cette source énergétique, l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable a la particularité de permettre à cette forme d'énergie de se substituer à l'utilisation des énergies fossiles utilisées aujourd'hui pour les méthodes de production de la vapeur et de l’énergie ; l’électricité, l’hydrogène, et l’oxygène. En effet, durant les prochaines décennies, les besoins d'accès à l’énergie et les besoins énergétiques mondiaux vont irrémédiablement croitre. Face aux besoins légitimes, les énergies fossiles, qui se tarissent et chargent l'atmosphère en dioxyde de carbone, ne peuvent plus être la réponse universelle. Il est donc important de trouver de nouvelles ressources énergétiques de préférence non polluantes, sans gaz à effets de serre, sans dioxyde de carbone, propres, durables, fiables, accessibles et renouvelables. L’énergie solaire et l’énergie géothermique ont le potentiel nécessaire pour constituer des réponses à ces défis planétaires. Nous vivons sur un stock d'énergie pratiquement indéfini et infini.

Pour capter cette chaleur de l’énergie solaire, il faut un fluide caloporteur qui peut être soit l’huile soit du sel fondu dans notre système. L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable proposé ici selon l'invention est le producteur de la vapeur de l’eau par un flux thermique issu d'un corps solide du même tube cylindrique en acier inoxydable.

Adapté aux systèmes actuels de production de la vapeur d’eau, pour des capacités de production d’énergie très importante, le brevet proposé utilise l'énergie solaire concentrée dans son procédé. Elle permet ainsi de produire, sans autre frais que ceux de l'investissement et de fonctionnement, de l’eau de vapeur en abondance avec des prix de production de vapeur et d’électricité, d’hydrogène et d’oxygène à un coût très bas.

II – Champs d’applications

Les champs d'applications du brevet s'adressent aux systèmes actuels de production de vapeur d’eau, en vue de produire d’une part de la vapeur d’eau (douce, pur, mer) et d'autre part grâce au procédé de cogénération qui peut en être issue, produire de l’énergie sous forme d'électricité, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’eau potable à des coûts de production également très bas, inférieur au prix du marché actuel dans les meilleures conditions. Nous pouvons éviter les rejets de gaz à effets de serre, de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

Pour le brevet, parmi les échangeurs de chaleur, il existe plusieurs types de procédés d'échangeur de chaleur, qui se distinguent par leur conception, leur configuration et leur mode de fonctionnement. Voici quelques différents procédés d'échangeur de chaleur :

Les échangeurs de chaleur à contre-courant : dans ces échangeurs de chaleur, les fluides chauds et froids circulent dans des directions opposées, ce qui permet un transfert de chaleur efficace.
Les échangeurs de chaleur à co-courant : dans ces échangeurs de chaleur, les fluides chauds et froids circulent dans la même direction, ce qui permet un transfert de chaleur efficace, mais généralement moins efficace que les échangeurs de chaleur à contre-courant.
Les échangeurs de chaleur à double tube : dans ces échangeurs de chaleur, les fluides chauds et froids circulent dans des tubes concentriques, ce qui permet un transfert de chaleur efficace et une grande flexibilité de conception.
Les échangeurs de chaleur à plaques : dans ces échangeurs de chaleur, les fluides chauds et froids circulent à travers des plaques minces, ce qui permet un transfert de chaleur efficace et une grande surface d'échange.
Les échangeurs de chaleur à faisceau tubulaire : dans ces échangeurs de chaleur, les fluides chauds et froids circulent à travers des tubes disposés en faisceaux, ce qui permet un transfert de chaleur efficace et une grande flexibilité de conception.
Les échangeurs de chaleur à récupération de chaleur : ces échangeurs de chaleur sont utilisés pour récupérer la chaleur perdue dans les processus industriels et la réutiliser pour d'autres applications.
Les échangeurs de chaleur à condensation : ces échangeurs de chaleur sont utilisés pour récupérer la chaleur latente de condensation des fluides de processus, ce qui permet une récupération de chaleur efficace.
Il existe de nombreux autres types d'échangeurs de chaleur, chacun étant conçu pour répondre à des besoins spécifiques en matière de transfert de chaleur.

Les différents procédés d'échangeur de chaleur ont tous pour but de transférer la chaleur d'un fluide à un autre. Ils partagent donc certaines particularités communes, telles que :

Une surface d'échange : tous les échangeurs de chaleur ont une surface d'échange, qui est l'endroit où les fluides chauds et froids entrent en contact et transfèrent la chaleur.
Des conduits pour les fluides : les échangeurs de chaleur ont des conduits pour permettre aux fluides chauds et froids de circuler à travers l'échangeur et de transférer la chaleur.
Un écoulement de fluides contrôlé : pour maximiser l'efficacité du transfert de chaleur, les échangeurs de chaleur doivent contrôler l'écoulement des fluides chauds et froids.
Un matériau conducteur de chaleur : tous les échangeurs de chaleur sont fabriqués à partir de matériaux conducteurs de chaleur, tels que l'acier inoxydable, l'aluminium, le cuivre, etc.
5.Une isolation thermique : pour minimiser les pertes de chaleur, les échangeurs de chaleur peuvent être isolés thermiquement pour réduire les transferts de chaleur indésirables entre l'environnement extérieur et les fluides de processus.
Une conception et une configuration adaptées à l'application : chaque procédé d'échangeur de chaleur a une conception et une configuration spécifiques qui sont adaptées aux besoins de l'application pour laquelle l'échangeur de chaleur est utilisé.

Ces particularités communes permettent aux différents procédés d'échangeur de chaleur de fonctionner efficacement pour transférer la chaleur d'un fluide à un autre dans une variété d'applications.

La quantification et la mesure de l'énergie dépensée pour les différents procédés d'échangeur de chaleur dépendent de plusieurs facteurs, tels que le type d'échangeur de chaleur, la température et le débit des fluides, le matériau utilisé pour la fabrication de l'échangeur de chaleur, et les conditions de fonctionnement.

Voici quelques méthodes courantes pour quantifier et mesurer l'énergie dépensée pour les différents procédés d'échangeur de chaleur :

La mesure de la température : la différence de température entre l'entrée et la sortie des fluides de processus peut être mesurée pour déterminer la quantité de chaleur transférée.
La mesure du débit de fluide : le débit de fluide peut être mesuré à l'aide d'un débitmètre pour calculer la quantité de chaleur transférée.
L'analyse thermique : l'analyse thermique peut être utilisée pour mesurer la quantité de chaleur transférée à l'intérieur de l'échangeur de chaleur en mesurant les gradients de température à l'intérieur des conduits.
Les mesures de pression : les mesures de pression peuvent être utilisées pour déterminer la résistance des fluides à travers l'échangeur de chaleur et la quantité de travail nécessaire pour le faire circuler.
Les modèles de simulation : les modèles de simulation peuvent être utilisés pour prédire les performances d'un échangeur de chaleur dans différentes conditions de fonctionnement et pour calculer la quantité d'énergie dépensée pour le fonctionnement de l'échangeur de chaleur.

En utilisant l'une ou plusieurs de ces méthodes de mesure, il est possible de quantifier et de mesurer l'énergie dépensée pour les différents procédés d'échangeur de chaleur. Ces informations peuvent être utilisées pour améliorer l'efficacité énergétique des systèmes de transfert de chaleur et pour réduire la consommation d'énergie.

La quantité d'énergie dépensée pour produire de la vapeur d’eau à l'aide d'un échangeur de chaleur dépend du procédé de production de vapeur utilisé, ainsi que de l'efficacité de l'échangeur de chaleur lui-même. Il existe plusieurs procédés de production de vapeur utilisant un échangeur de chaleur, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients en termes d'efficacité énergétique.

Il est important de noter que l'efficacité énergétique dépend également de la qualité et de la conception de l'échangeur de chaleur lui-même, ainsi que de l'efficacité globale du système de production de vapeur. Des méthodes telles que l'optimisation de la conception de l'échangeur de chaleur, l'utilisation de matériaux conducteurs de chaleur de haute qualité et l'optimisation des processus de combustion peuvent contribuer à améliorer l'efficacité énergétique et à réduire la quantité d'énergie dépensée pour produire de la vapeur.

Il n'y a pas d'échangeur de chaleur en soi qui dépense plus d'énergie qu'un autre. En effet, le rôle d'un échangeur de chaleur est de transférer de la chaleur d'un fluide à un autre, sans produire ni consommer de l'énergie en soi.

Cependant, le choix d'un type d'échangeur de chaleur peut influencer la consommation d'énergie d'un système dans son ensemble. Par exemple, certains types d'échangeurs de chaleur peuvent présenter des pertes de chaleur plus importantes que d'autres en raison de leur conception, de leur matériau ou de leur taille. Cela peut se traduire par une consommation d'énergie accrue pour maintenir la température souhaitée ou pour compenser les pertes de chaleur.

De plus, le choix du fluide de travail, de la température d'entrée et de sortie, de la pression et de la vitesse du fluide, ainsi que de l'efficacité de l'isolation peuvent également affecter la quantité d'énergie dépensée dans un système d'échangeur de chaleur.

Il est donc important de considérer l'ensemble du système de production de chaleur et de refroidissement, ainsi que l'ensemble des paramètres qui influencent la performance de l'échangeur de chaleur, pour évaluer l'efficacité énergétique globale d'un système d'échangeur de chaleur et identifier les possibilités d'amélioration.

Par l'utilisation de l'énergie solaire concentrée ou l’énergie géothermique, l’échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable permet de remplacer les énergies fossiles consommées aujourd'hui et de les réserver et/ou les destiner selon leurs particularités à d'autres secteurs économiques. La présente invention par son procédé permet de faire des économies de maintenance dûes à la simplicité de son système de fonctionnement, et enfin d'éviter les rejets de dioxyde de carbone et émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Applications complémentaires

La présente invention s'adresse aux méthodes de production de vapeur d'eau.

Toutefois, sous une autre forme d'application, il est important de préciser que comme pour la production de la vapeur d'eau pur, douce et de mer, le procédé technique de l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse peut permettre également, après la production de la vapeur et de l’électricité, in fine de produire de l'hydrogène, d’oxygène et de l’eau potable. En effet, l'échangeur de chaleur a pour fonction d'une part de réchauffer l'eau pour la vaporiser selon les méthodes de production thermique afin d'obtenir de la vapeur de l’eau douce, pur et de mer et d'autre part par cogénération d'obtenir de l'énergie électrique, de l’hydrogène et d’oxygène à très bas coût. Avec l'eau et l'électricité, nous avons ainsi les deux éléments essentiels afin d'obtenir de l'hydrogène et d’oxygène par électrolyse. L'hydrogène et l’oxygène pures produits par électrolyseur sont les plus compatibles pour toutes formes d'applications industrielles. De plus, comme pour la production de la vapeur de l'eau, l'échangeur de chaleur de la présente invention, grâce à l'utilisation de l'énergie solaire concentrée, permet d'obtenir des bas coûts de production avec d'importantes capacités de production d'hydrogène et d’oxygène. L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable utilisé à la base pour cette application particulière est identique que celle aux méthodes de production de la vapeur, aussi les revendications du brevet sont identiques.

En outre, il peut être utilisé efficacement dans des domaines tels que l'obtention d'eau chaude, le chauffage d'espaces et ville, la culture en serre dans l’agriculture et pisciculture, les applications de climatisation-refroidissement, les processus industriels et la fourniture de vapeur aux entreprises industrielles. Les unités de production complètement autonomes qui n'utiliseront aucun combustible fossile dans les opérations et ne produiront aucun dioxyde de carbone et différents gaz à effet serre.

Descriptif de l’invention

Pour ses applications, le brevet proposé est simple dans son esprit, sûr dans son principe, modulable dans son fonctionnement et efficace par son positionnement en horizontale, verticale ou diffèrent type d’angle in situ, ceci principalement dans les zones (solaire ou géothermique) de moyenne ou de haute enthalpie. Pour les travaux concernant l'installation, l'aménagement et le positionnement de l’échangeur de chaleur peut être variable. Elle peut se faire soit sur la surface avec une centrale d’énergie solaire thermodynamique à concentration , soit en profondeur avec un puit sous terre à chaleur géothermique.

L'énergie solaire concentrée et l’énergie géothermique peuvent être utilisées avec succès dans deux cas essentiels : l'un pour la production de chaleur et ensuite la production de vapeur, d’électricité, d’hydrogène, d’oxygène et d’eau potable, et l’autre pour la production de la vapeur d’eau directement par la chaleur géothermique et ensuite d’électricité, d’hydrogène, d’oxygène et d’eau potable. Ceci implique que la démonstration de ces capacités des deux procédés en tant que vecteur énergétique n'est plus à démontrer.

Par l'invention, l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable et son procédé, est une voie est ouverte et n’est plus à démontrer, celle de la production de la vapeur de l'eau par transfert direct de chaleur d'un flux de l’énergie solaire concentré local à un fluide caloporteur, ici l’huile ou le sel fondu, l’énergie solaire concentrée comme source de chaleur permet de produire de la vapeur d'eau.

L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable proposé ici dans ses applications permet d'obtenir des coûts de production plus faible, comparativement au marché actuel en fonction des capacités de production réalisables avec des grandeurs d'échelles comparables. Sur ces bases, le prix de la vapeur, de l’électricité, l’hydrogène, l’oxygène et de l'eau douce potable produite, hormis le coût de l'investissement, les frais d'entretien, de maintenance et d'exploitation sera très bas et le restera. Grâce à ce système, il sera possible de produire de la vapeur, de l'électricité, de l'eau propre, de l'hydrogène et de l'oxygène avec un nouveau procédé de production d'énergie, dont la technologie est in situ, renouvelable, durable, propre, fiable, accessible pratiquement pour tout le monde, sans déchet ni rejets de dioxyde de carbone et émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère, et que nous pouvons produire entièrement avec les propres ressources renouvelables.

L’énergie solaire thermodynamique à concentration : cette technologie utilise des miroirs pour concentrer la lumière solaire et produire de la chaleur, qui peut ensuite être utilisée pour produire de l’électricité ou pour chauffer ou vaporiser de l’eau. C’est en réalité une technologie ancienne, mais qui a souvent été ignorée au profit des panneaux photovoltaïques, et qui commencent à nouveau à se développer.

Un système de production d'électricité par les collecteurs cylindro-paraboliques est un type de centrale de l’énergie solaire thermodynamique qui utilise des miroirs cylindro-paraboliques pour concentrer la lumière du soleil sur des tubes contenant un fluide caloporteur, sel fondu ou huile, à un axe médian. Ce fluide caloporteur est chauffé, réchauffé par l'énergie solaire concentrée et utilisé pour produire de la vapeur par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur qui alimente une turbine à vapeur pour produire de l'électricité.

Le système se compose de rangées de miroirs cylindro-paraboliques , également appelés collecteurs, qui sont alignés dans une direction d’est en ouest pour suivre la trajectoire du soleil tout au long de la journée par un système de traqueur (tracker) solaire. Chaque collecteur est composé d'une section efficace parabolique à concentration, qui réfléchit la lumière du soleil vers un tuyau placé au foyer de la section parabolique. Le tube contient le fluide caloporteur qui circule à travers le système.

Le fluide caloporteur est une huile ou sel fondu, qui est chauffée à des températures très élevées dans les tubes se trouvant à un axe central. La chaleur de ce fluide caloporteur est ensuite utilisée pour chauffer et réchauffer l’échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable qui va produire de la vapeur d’eau avec l’aide de ce même échangeur de chaleur, et qui va alimenter une turbine à vapeur pour produire de l'électricité.

Le système utilise également un système de stockage thermique pour stocker l'énergie thermique générée pendant la journée afin de produire de l'électricité pendant la nuit ou par temps nuageux. Les options de stockage thermique comprennent souvent des réservoirs d'eau chaude, des sels fondus, d’huile synthétique, d’huile siliconé et d'autres matériaux de stockage de chaleur.

Le projet de production de vapeur d’eau, d'électricité, d'hydrogène et d'oxygène à partir d'énergie solaire thermodynamique à concentration est une initiative prometteuse pour la production d'énergie propre, durable et renouvelable. Cette technologie utilise l'énergie solaire concentrée pour chauffer un fluide caloporteur qui produit de la vapeur, qui à son tour peut être utilisée pour produire de l'électricité.

Le processus de production d'hydrogène et d'oxygène se produit grâce à l'électrolyse de l'eau, qui est alimentée par l'électricité produite par la centrale solaire thermodynamique. L'hydrogène et l'oxygène produits peuvent être utilisés pour une variété d'applications, telles que le stockage d'énergie, les combustibles pour les voitures, l’aviation, les locomotives de train, les bus, les camions à hydrogène, la production dans l’industrie, la production de l’énergie propre et bien d’autres.

En résumé, un système de production de la vapeur d’eau, d’électricité, d'hydrogène et d'oxygène et d’eau potable par les collecteurs cylindro-paraboliques utilise des miroirs cylindro-paraboliques pour concentrer la lumière du soleil sur des tubes contenant un fluide caloporteur, qui est chauffé et réchauffé pour produire de la vapeur et alimenter une turbine pour produire de l'électricité, de l’hydrogène, de l’oxygène et éventuellement de l’eau potable. Le système utilise également un système de stockage thermique pour stocker l'énergie thermique générée pendant la journée pour une utilisation ultérieure.

Description des figures de l’invention

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Donne une vue d'ensemble de modèle simplifié du principe énoncé de l’échangeur de chaleur en forme de trois tubes cylindriques en acier inoxydable l’un à l’intérieur de l’autre qui selon sa longueur (8) et sa largeur (9) déterminée en fonction de la capacité de production de la vapeur d'eau ; l’entrée d’eau (2), sortie de la vapeur (3), pour réchauffer l’eau il faut un fluide caloporteur d’huile chauffé ou de sel fondu et réchauffé par l’énergie solaire concentrée qui entre (entrée) (1) et sort (sortie) (4), peut se positionner aussi bien sur la surface de la terre que sous la terre. Le premier tube (5) cylindrique en acier inoxydable lisse se trouve à l’intérieure du deuxième (6) tube cylindrique en acier inoxydable lisse. Entre les deux se trouve un espace assez serré pour le passage de l’eau et de la vapeur. Les deux tubes sont enveloppés par un troisième (7) tube cylindrique en acier inoxydable lisse. Il y a un espace entre le deuxième et troisième tube pour le passage de fluide caloporteur. L’ensemble de ces tubes peut se mettre à l’intérieure d’une cuve qui comporte des sables fins afin de maintenir la chaleur au sein de l’échangeur de chaleur.

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Donne une vue schématique du premier tube cylindrique en acier inoxydable lisse fermée d’en bas (13) et d’en haut (15), coupé d’en haut d’un vingtième (14) de sa longueur (12) pour faire un réservoir tampon et supplémentaire (14) pour la vapeur d’eau. Il est divisé en deux parts égales de demi-cercle cylindrique par une paroi (17) de l’extérieur assez large (16) et qui selon sa longueur (18), sa largeur (10), son épaisseur (11) et sa longueur (12) de l’échangeur de chaleur, déterminée en fonction de la capacité de production de la vapeur d’eau, fait une séparation égale de demi-cercle sur les deux côtés de la longueur de l’extérieure du premier tube cylindrique en acier inoxydable lisse.

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Donne une vue schématique du deuxième tube cylindrique en acier inoxydable lisse fermé d’en bas (22) et d’en haut (23). Il y a deux accès, dont un pour l’entrée (24) du fluide de l’eau et l’autre accès (25) est la sortie de la vapeur d’eau saturée ou sèche. Il est divisé en deux parts égales de demi-cercle cylindrique par une paroi (27) assez large (26) et épaisseur (28) de l’extérieur du tube et qui selon sa longueur (21), sa largeur (19) et son épaisseur (20) du tube cylindrique, déterminée en fonction de la capacité de production de la vapeur d’eau, qui fait une séparation égale sur les deux côtés de la longueur de l’extérieure du deuxième tube cylindrique en acier inoxydable.

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Donne une vue schématique du troisième tube cylindrique en acier inoxydable fermé d’en bas (32) et d’en haut (33). Le couvercle (33) qui se trouve en haut du tube cylindrique possède quatre accès dont l’accès (34), qui correspond à l’entrée du fluide caloporteur chauffé et réchauffé par l’énergie solaire concentrée, l’accès (35), qui correspond à la sortie du fluide caloporteur (huile froid ou sel fondu), l’accès (24), qui correspond à l’entrée du fluide d’eau, l’accès (25), qui correspond à la sortie de la vapeur d’eau. La longueur (31), la largeur (29) et l’épaisseur (30) du troisième tube sont déterminées en fonction de la capacité de production de la vapeur d’eau.

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Donne une vue d’ensemble de la cuve en forme de tube cylindrique dans lequel va se trouver l’échangeur de chaleur en forme de trois tubes cylindriques en acier inoxydable. La cuve va entourer l’ensemble de ces tubes cylindriques en acier inoxydable qui selon leur longueur (37), diamètre (36), épaisseur (38) et largeur (36), sera plus grand que l’échangeur de chaleur, qui sera mis à l’intérieur (39), déterminée en fonction de la capacité de production de la vapeur d'eau. L’espace prévu (40) des sables fins pour qui tiendra en chaud par le fluide caloporteur d’huile.

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Donne une vue d'ensemble du principe énoncé de l’échangeur de chaleur en forme de trois tubes cylindriques en acier inoxydable lisse assemblé l’un à l’intérieur de l’autre qui selon la longueur (10), la largeur (11), déterminées en fonction de la capacité de production de la vapeur d'eau, peut se positionner aussi bien en surface (sur la terre) qu’en profondeur (sous la terre).

L’échangeur de chaleur d’EC3 peut être chauffé et réchauffé aussi bien par l’énergie solaire thermodynamique à concentration par un fluide caloporteur, que par la chaleur de la géothermie ou par une autre forme de chaleur.

La première partie de l’échangeur de chaleur se compose d’un premier tube (5) cylindrique en acier inoxydable lisse qui se trouve à l’intérieur du second tube en acier inoxydable lisse (6). Le premier tube cylindrique en acier inoxydable, deux cotés d’en bas (18) et d’en haut couvert (5), divisé en deux parts égales de demi-cercle cylindrique (15-29) par une paroi (8-28) assez large qui fait une séparation égale sur les deux côtés de la longueur de l’extérieur du premier tube cylindrique. Le premier tube cylindrique en acier inoxydable est coupé, d’en haut, en demi-cercle (32) d’un vingtième sur sa longueur. Le deuxième tube cylindrique en acier inoxydable (6) couvre le premier tube qui est plus long que celui-ci (14) et sa largeur est l’espace se trouvant entre les deux tubes (16-31), qui peut être variable. Le deuxième tube (6) cylindrique en acier inoxydable lisse est divisé en deux parts égales de demi-cercle cylindrique (15) par une paroi (9-21) assez large qui fait une séparation égale sur les deux côtés de la longueur de l’extérieure du deuxième tube cylindrique en acier inoxydable (6). Le troisième tube (7) cylindrique en acier inoxydable couvre le deuxième tube cylindrique qui est plus long que deuxième tube cylindrique en acier inoxydable sa longueur et sa largeur par apport au deuxième tube cylindrique en acier inoxydable.

L’espace de conduit prévu de circulation de l’eau et vapeur, entre le premier tube et deuxième tube de l’échangeur chaleur en acier inoxydable lisse, est demi-cercle par un paroi de séparation de chaque côté du tube cylindrique permet d’un côté de l’écoulement de l’eau (16-19) en entrée et la vapeur en sortie de l’autre cote (27-31-33) et ainsi que la vaporisation de l’eau qui se forme par le transfert de la chaleur du fluide caloporteur d’huile par l’extérieur du deuxième tube de l’échangeur. Lorsque l’eau entre presque immédiatement se transforme en vapeur d’eau, par le biais du fluide caloporteur d’huile chauffant par l’extérieur du deuxième tube. Le réservoir d’en bas du tube (19) et en haut du tube entre le premier (32) et deuxième tube de l’échangeur permettra de stocker la vapeur d’eau et créer une pression supplémentaire avec la chaleur de la vapeur avant la sortie à l’extérieur de l’échangeur.

L’espace de conduit prévu de circulation du fluide caloporteur d’huile ( ou sel fondu) (12), entre le deuxième tube et troisième tube de l’échangeur chaleur en acier inoxydable lisse, est demi-cercle par un paroi de séparation de l’extérieure de deuxième tube de chaque côté du tube cylindrique permet d’un côté de l’écoulement du fluide caloporteur chaud (12-22-25) en entrée et du fluide caloporteur froid en sortie (30-34) de l’autre cote et ainsi que le fluide caloporteur dès que descend à un seuil de chaleur moins il est remplit par le fluide caloporteur chaude immédiatement par le fluide caloporteur chaude se trouvant dans des cuves stocké ou par le circuit des collecteur paraboliques à concentration.

L'échangeur de chaleur en forme du tube cylindrique en acier inoxydable lisse et son positionnement face au régime thermique local est placé en fonction de la réception de la chaleur du fluide caloporteur chauffé par l’énergie solaire concentrée, principalement en moyenne ou haute enthalpie. Le diamètre (sa largeur) (11) et la longueur (10) de l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse seront variables en fonction de la conjugaison des facteurs et paramètres de gradient et de flux des chaleurs locales, mais aussi des capacités de production de la vapeur d'eau selon les besoins. La mesure de diamètre donnée ici à titre indicatif dans le schéma ( ) correspond à un échangeur de chaleur incluant des capacités de production importante de vapeur d'eau.

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Donne une vue d’ensemble de schéma d’une centrale de l'énergie solaire thermodynamique parabolique à concentration (1) avec l’échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse (5) dans une cuve (5) pour produire de la vapeur d’eau, de l’électricité (15-16-17-18), de l’hydrogène, de l’oxygène (20) et de l’eau potable (21).

L’ensemble de Schéma a pour but uniquement de montrer et pour mémoire un schéma technique de procédé de la vapeur d’eau par central de l’énergie solaire thermodynamique parabolique à concentration de notre système qu’on appelle « CEST » (Centrale de l’Énergie Solaire Thermodynamique). L’échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse, appelé EC3, selon l’invention qui est alimentée par l’énergie solaire (1-2-3-4) se substitut à la centrale thermique utilisée actuellement et alimentée en énergie fossile nécessaire au fonctionnement d'une unité centrale électrique existante.

Le schéma montre bien le fonctionnement de la CEST (1) avec le positionnement de l’EC3 (5) selon en fonction de sa longueur, sa largeur pour différentes capacités de production et différents débits de fluide d’eau (9-14) et de fluide caloporteur (2) imposés pour la production de la vapeur d’eau.

La CEST fonctionne et utilise des miroirs (3) pour concentrer la lumière solaire et produire de la chaleur par les collecteurs cylindro-paraboliques (3) est un type de centrale solaire thermodynamique à concentration qui utilise des miroirs cylindro-paraboliques pour concentrer la lumière du soleil sur des tubes (2) contenant un fluide caloporteur à axe médian (2), et qui sont alignés dans une direction est-ouest pour suivre la trajectoire du soleil tout au long de la journée. Ce fluide caloporteur est chauffé par l'énergie solaire concentrée, stocké dans des cuves (des citernes) (4) et utilisé pour produire de la vapeur d’eau par l’intermédiaire de notre échangeur de chaleur (5) qui alimente une turbine à vapeur (15) pour produire de l'électricité.

Le fluide caloporteur est soit de l’huile, soit du sel fondu, chauffé et réchauffé à des températures très élevées pouvant atteindre de 300°C à 800°C dans les tubes se trouvant dans un axe central. Cette chaleur est ensuite utilisée, en même temps pour chauffer l’ensemble de l’EC3. La cuve comportera également du sable fin qui permettra de tenir constamment la chaleur de la cuve ainsi que de l’EC3 à une température assez élevée.

Le système utilise également un système de stockage thermique pour stocker l'énergie thermique (4) générée en surplus pendant la journée afin de produire de la vapeur d’eau et de l'électricité pendant la nuit, par temps nuageux ou pour une utilisation ultérieure. Les options de stockage thermique (4) comprennent souvent des réservoirs d'eau chaude, des sels fondus, huile synthétique, huile siliconé et d'autres matériaux de stockage de chaleur.

Le système CEST (1) utilisera d’un point d’eau (10), mer, lac ou rivière de l’eau douce ou pur après avoir purifié (11) ou dessalé (11) dans le système d’osmose inverse, l’eau pur (12) est envoyée à l’échangeur de chaleur d’EC3 par le caloduc (9-14). L’eau pur est vaporisée dès l’entrée à l’EC3, pousser par le débit et ensuit la vapeur (7) commence à être stocker dans l’espace de réservoir tampon et tampon supplémentaire pour être envoyer à turbine à vapeur (15). Après la production de l’électricité, la vapeur est récupérée, collecte dans le condenseur (19). Il y a trois possibilités d’utiliser cette même vapeur d’eau, soit par un électrolyseur à produire d’hydrogène et d’oxygène, soit l’eau potable en reminéralisant, soit réutiliser la même vapeur en circuit fermée par la même l’EC3.

Claims

L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable lisse a une conception et une configuration spécifiques qui permettent la production de la vapeur d’eau (à partir d’eau douce, pur ou de mer) et par la suite d’électricité, d’hydrogène, d’oxygène et d’eau potable par un procédé d’énergie solaire thermodynamique à concentration avec cogénération par un système d’électrolyseur. L’échangeur de chaleur d’EC3 est caractérisé par les éléments et les vecteurs de conception suivants :
La première partie de l’échangeur de chaleur est composé de trois tubes, les deux premiers tubes sont imbriqués l’un dans l’autre puis englobé dans le troisième tube. Les deux premiers tubes sont séparés en deux demi-cercle par une paroi externe du l’extrémité du premier tube créant deux espaces de demi-cercle qui fait une séparation à part égale. L’espace de conduit pour le fluide de l’eau en descente et celui en remonté de la vapeur. Il existe un réservoir en bas d’entre le premier et deuxième tube car le deuxième tube est plus long que le première tube, et également un deuxième réservoir tampon supplémentaire de la vapeur pour existe en avant un vingtième du premier tube coupé qui permet de faire cette espace entre le premier et deuxième tube.

La deuxième partie de l’échangeur de chaleur EC3, deux tubes séparés en part égal de deux demi-cercles par une paroi de l’extérieur du deuxième tube, que le troisième tube est plus long que le deuxième tube permet de faire un réservoir en bas de ces tubes. Cette séparation à part égale par cette paroi permet d’avoir un espace de conduit entre les deux tubes qui permet la circulation du fluide de caloporteur d’huile chaud en descente et permet, en remontée, de sortir le fluide caloporteur froid.

L'espacement de conduit assez serré entre les tubes (première partie 1-a) offre une certaine zone d'écoulement où la couche limite peut se former et interagir avec la surface de demi-cercle cylindrique des tubes. Cela permet un transfert de chaleur entre les tubes et le fluide. Un espacement plus réduit entre les tubes pourrait être préférable pour favoriser une interaction plus étroite entre le fluide et la surface des tubes, ce qui améliorerait le transfert de chaleur plus efficace.

Exploiter la couche limite de la vapeur d'eau qui se forme à l'intérieur d'un espace lisse entre deux tubes de l’espace assez serré. La couche limite est la zone adjacente à une surface solide où les effets de frottement, poussez et de traînée sont importants, cela pourrait également augmenter la résistance à l'écoulement et générer une pression plus élevée.

C’est très important de concevoir l'espace lisse entre les tubes de manière à faciliter l'écoulement de la vapeur d'eau et à minimiser les pertes de chaleur ou de masse. Une surface lisse et propre, ainsi que des conditions de flux bien contrôlées, peuvent améliorer l'efficacité de l'exploitation de la couche limite.

On peut maximiser le transfert de chaleur, de masse et favoriser la condensation de la vapeur d'eau sur la paroi extérieure et intérieure des tubes en maintenant une différence de température entre les tubes et la vapeur d'eau. Cela peut être réalisé en maintenant une différence de pression entre l'espace lisse et la vapeur d'eau, ce qui encouragera l'évaporation de l'eau à la surface des tubes et Cela permettra la libération de chaleur latente lors de la condensation, ce qui augmentera le transfert de chaleur. Cependant, cela pourrait également augmenter la résistance à l'écoulement et générer des pressions plus élevées.

L'échangeur de chaleur EC3 a pour but de transférer la chaleur d'un fluide caloporteur d’huile à l’eau. Ils partagent donc certaines particularités communes, telles que :

Une surface d'échange de chaque côté de demi-cercle cylindrique d’un côté d’effectuer la transfère les fluides chauds et à l’eau froide en contact de chaleur pour vaporise et de l’autre côté maintenir la vapeur et la pression en chauds.

L’espace de conduit prévue pour les fluides dans les échangeurs de chaleur EC3 a pour but de permettre aux fluides chauds et froids de circuler à travers l'échangeur et de transférer la chaleur.

Nous pouvons contrôler l'écoulement des fluides chauds et froids et maximiser l'efficacité du transfert de chaleur pour améliorer le rendement.

L’échangeur de chaleur est construit en acier inoxydable lisse et par mélange d’autres composites de matériaux qui sont de bons conducteurs de chaleur.

En mettant l’échangeur de chaleur EC3 dans une cuve de sables fins chauds peut maintenir la chaleur et minimiser les pertes de chaleur thermiquement pour réduire les transferts de chaleur indésirables entre l'environnement extérieur et les fluides du processus.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon la revendication 1 est caractérisé dans sa forme par une dimension atteignant plusieurs mètres de diamètre et d'une longueur variable qui peut dépasser plusieurs mètres, selon les données et les paramètres, fournis à partir des calculs de capacités de production d'eau à vaporiser possibles et souhaitées, ainsi que des facteurs thermiques de flux de l’énergie solaire concentrée ou d’autre source de chaleur.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon la revendication 1 est caractérisé par une conduite en demi-cercle cylindrique permettant la circulation et la canalisation du fluide, l'eau, pendant sa phase de réchauffement par convection lors de son passage dans le demi-cercle de l'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable et du réservoir tampon.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon la revendication 3 est caractérisé du fait de sa fonction et de sa forme, en utilisant directement les ressources énergétiques d'un flux de l’énergie solaire concentrée et géothermique de sous-sol en moyenne ou haute enthalpie, c'est à dire par le transfert de chaleur par convection d'un corps chaud vers un corps plus froid, qui est ici l'eau.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon la revendication 1 est caractérisé par le fait que son procédé de fonctionnement utilise l'énergie solaire concentrée et géothermique à la place des énergies fossiles telles que le gaz ou le pétrole.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon les revendications 1, 2 et 3 du fait de sa fonction de procédé technique est équipé d'un réservoir tampon à l’extrémité en bas du tube selon le modèle de l'échangeur, que ce soit sous forme d'un tube double ou triple. Entre le première et deuxième tube, un réservoir tampon derrière est placé, entre les espaces de conduit de descente de l’eau et de remontée de la vapeur d’eau chaude. Il y a un second réservoir tampon supplémentaire en avant, un vingtième de sa longueur du première tube, du premier et deuxième tube, ne sert uniquement qu'à faciliter l'écoulement de la vapeur d’eau et augmentation de la pression de vapeur d’eau avant la sortie de l’échangeur de chaleur.
L'échangeur de chaleur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable selon les revendications 1, 2, 3 et 4 comme mentionné dans le texte, positionné dans la surface et sous-sol, est alimenté d’un première fluide caloporteur d’huile chauffé par l’énergie solaire concentrée qui sert à vaporiser second fluide l’eau par des tuyaux de sections différentes entre les espace de conduit de descente en eau à température de l'eau prélevée en surface ou en profondeur ou de la mer selon et les espaces de remontés de l'eau réchauffées après circulation dans la demi-cercle de l'échangeur en forme de tube cylindrique en acier inoxydable. A partir de là, l'eau chaude est vaporisée. La vitesse de circulation de l'eau en descente jusqu'à l'échangeur est inférieure à la vitesse de l'eau chaude lorsque qu'elle remonte, ainsi elle peut emmagasiner des calories dans sa phase de descente et en opposition en perdre le moins possible à la remontée après passage dans l'échangeur de chaleur. Les espace de conduit de remonté de l’eau chaude pour vaporisation en surface seront conçus en matériaux calorifères. L’énergie solaire ou géothermique pour fonctionnement selon l'invention permet d'obtenir des coûts de production de vaporisation de l'eau (douce, pur ou de mer) inférieurs à ceux que l’on peut trouver sur le marché actuel selon les techniques employées, même pour les moins énergivores.
Aujourd'hui les coûts de production d'eau de vaporisation et les prix de l'énergie sont étroitement liés, quel que soit les méthodes.
L'énergie solaire concentrée utilisée pour l'échangeur de chaleur d’EC3 selon l'invention permet d’obtenir à des coûts très bas de production d’eau de vaporisation et de l’énergie, d’électricité, d’hydrogène, d’oxygène et de l’eau potable à de prix inferieure du marché.