WO2014199072A1 - Dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud et un fluide froid, et installation comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud et un fluide froid, et installation comprenant un tel dispositif Download PDF

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
    • F03G7/05—Ocean thermal energy conversion, i.e. OTEC
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a device for converting thermal energy into mechanical energy. It applies to the conversion of thermal energy between a hot source and a cold source with a small difference in temperature and more particularly to the thermal energy of the seas.
  • These solutions have a great complexity and poor efficiencies 2.
  • any relaxation in a turbine with changes in direction of the fluid is prohibited or damage to the blades quickly. It remains the solution of the single-stage reaction turbine. In this type of turbine, it is necessary to maintain good efficiency that the absolute velocity of the fluid at the outlet of expansion is as low as possible.
  • the ejected fluid is more than 95% by mass in liquid form while the mass of the vapor part remains very low.
  • it is the steam that transforms most of the available enthalpy into kinetic energy during relaxation.
  • the two phases that are not mechanically coupled in the proposed devices will therefore have very different speeds at the output of the detent incompatible with a good efficiency of the turbine.
  • the device according to the invention makes it possible to provide an answer to these difficulties, in particular: it makes it possible to avoid the problems related to oversized heat exchangers of closed cycles;
  • droplets or microdroplets designate drops of diameter from about ten microns to a few millimeters.
  • ist of droplets refers to a cluster of droplets (several millions or billions per cubic meter) dispersed in the vapor generated by their own partial evaporation.
  • the device according to the invention relates to a device for converting the thermal energy contained in a hot fluid from a hot source into a mechanical energy and a cold fluid from a cold source, the hot fluid. being at a temperature higher than that of the cold fluid.
  • the device comprises at least one external pressure-resistant enclosure defining an internal medium, the device further comprising, inside the at least one enclosure, at least:
  • a distributor in rotation or not around an axis of rotation in the enclosure comprising an inlet intended to be in fluid connection with the hot source outside the enclosure;
  • the generator and fog accelerator assembly inside the enclosure, the fog comprising a mixture of droplets and steam, the generator and fog accelerator assembly being supplied with hot fluid by the distributor,
  • - Condensation means adapted to be in fluid connection with the cold source, for condensation by cooling by means of the fluid of the cold source of the steam produced inside the enclosure;
  • the generator and fog accelerator assembly comprises at least:
  • a fog generator in fluid connection with the distributor for generating a mist of hot fluid droplets animated with an initial speed and dispersed in the vapor formed by their own partial evaporation;
  • a nozzle rotatably mounted about the axis of rotation relative to the chamber for relaxing and guiding inside the chamber the mist of droplets and vapor generated by the fog generator, the at least one nozzle extending at least partially in a direction transverse to the axis of rotation so that the fog flow causes by reaction the rotation of the nozzle around the axis of rotation.
  • the at least one distributor and the at least one mist generator are rigidly attached to the at least one nozzle, in rotation about the axis of rotation, the at least one nozzle being in the extension of the at least one fog generator, the at least one fog generator being oriented with respect to the axis of rotation so that the relative initial velocity with respect to the fog generator of the droplets generated by the at least one fog generator comprises a cross-cutting component the axis of rotation which is substantially opposite to the orthogonal component of the speed of rotation of the at least one nozzle around the axis of rotation.
  • the at least one distributor is fixed relative to the enclosure, the initial speed of the droplets generated by the at least one fog generator having a centrifugal radial component and the at least one nozzle rotating around the axis of rotation is positioned at the periphery of the at least one fog generator.
  • the at least one distributor is fixed in the chamber, the initial speed of the droplets generated by the at least one mist generator having a centripetal radial component and the at least one nozzle rotating about the axis. rotation is positioned closer to the axis of rotation than the fog generator (s).
  • the distributor or distributors are fixed in the enclosure, the initial speed of the droplets generated by the at least one fog generator having an axial component parallel to the axis of rotation and the at least one nozzle in rotation about the axis being positioned axially offset from the at least one fog generator.
  • the axis of rotation is vertical.
  • the at least one mist generator may comprise at least one plate pierced with a multitude of holes of a shape, size and spacing specially optimized to produce mist of droplets.
  • the at least one fog generator may comprise at least a multitude of two-phase nozzles, each two-phase nozzle comprising at least one convergent, a neck and a divergent, the two-phase nozzles being contiguous to each other.
  • the fluids of the hot source and the cold source are water.
  • the hot spring is surface water and the cold source is water from the depths of an ocean.
  • the device may further comprise a generator for transforming the mechanical energy generated by the rotation of the at least one nozzle into electrical energy.
  • the generator may for example be an electric generator coupled directly or via a reduction box to the at least one nozzle.
  • the generator may comprise one or more hydroelectric units making it possible to transform all or part of the pressure energy of the hot fluid in the distributor into electrical energy.
  • the condensation means use condensation by direct contact between the vapor to be condensed and the fluid of the cold source.
  • the condensing means use the condensation at least partly without direct contact between the steam to be condensed and the fluid from the cold source.
  • the device may then comprise at least one recuperator allowing the recovery of the fresh water coming from the condensation of the steam without direct contact between the steam to be condensed and the fluid of the cold source.
  • the device may comprise a rolling device for supporting all or part of the weight of the elements.
  • the at least one fog generator may be provided with a cleaning device to eliminate the biofouling.
  • the device further comprises flotation means.
  • the invention proposes an installation for converting into mechanical energy the thermal energy contained in a hot fluid coming from a hot source and a cold fluid coming from a cold source, the installation comprising at least one Device according to any one of the preceding claims, the device being in fluid connection on the one hand with the hot source and on the other hand with the cold source.
  • the installation may have the following characteristics, taken alone or in combination: - the axis of rotation is vertical;
  • the hot fluid and the cold fluid are water
  • the source of hot water is water from an ocean to a first depth below the surface and the source of cold water is ocean water at a second depth below the surface greater than the first depth ;
  • the at least one enclosure is floating on an ocean or kept submerged at a determined depth in an ocean to overcome the effects of the swell;
  • the at least one enclosure rests on the ground or on the bottom of a surface of water.
  • the generator and fog accelerator device can be fixed or in rotation around an axis of the enclosure.
  • the droplets Given the very low pressure in the chamber, the droplets partially vaporize and are therefore dispersed in their own steam.
  • the set of droplets and vapor is then guided and expanded through one or several nozzles, the enthalpy of the steam being transformed into kinetic energy.
  • the vapor communicates a large part of this kinetic energy to the droplets which are accelerated in the nozzle (s) and communicate a push to these.
  • the final velocity of the droplets is low compared to that which vapor alone would have acquired for the same enthalpy drop.
  • the nozzles rotate about an axis and communicate this thrust to the rotating assembly.
  • the initial speed of the droplets, the arrangement of the nozzles and their rotational speed are arranged so as to generate an almost rectilinear trajectory of the droplets in the nozzle or nozzles, making it possible to avoid any collision with the walls of the nozzles.
  • a "turnstile" arrangement in which the distributor (s) are in rotation about the axis, the initial speed of the droplets generated by the fog generator (s) is substantially opposed to the peripheral speed due to their rotation and nozzles extend and are integral with each fog generator.
  • a centrifugal "radial" arrangement in which the distributor or distributors are fixed, the initial speed of the droplets generated by the fog generator or generators has a centrifugal radial component and the nozzles in rotation about the axis are positioned at the periphery of the or fog generators.
  • a centripetal "radial" arrangement in which the distributor or distributors are fixed, the initial speed of the droplets generated by the fog generator (s) has a centripetal radial component and the nozzles rotating about the axis are positioned closer to the axis of rotation as the fog generator (s).
  • the fog generator or generators comprise one or more plates pierced with a multitude of holes of shape, dimensions and spacing optimized to produce a fog of droplets;
  • the fluids of the hot source and the cold source are water
  • a generator makes it possible to transform the mechanical energy generated by the device according to the invention into electrical energy
  • the generator is an electrical generator coupled directly or via a reduction box to the rotating assembly
  • the generator is constituted by one or more hydroelectric units making it possible to transform all or part of the pressure energy of the hot fluid in the central pipes and supplying electrical energy;
  • the condensation means use condensation by direct contact between the vapor to be condensed and the fluid of the cold source;
  • the condensation means use the condensation at least partly without direct contact between the vapor to be condensed and the fluid coming from the cold source;
  • a recuperator allows the recovery of the fresh water coming from the condensation of the steam without direct contact between the steam to be condensed and the fluid of the cold source;
  • a rolling device makes it possible to support all or part of the weight of the rotating elements in the enclosure of the generator assembly and fog accelerator;
  • the fog generator (s) are equipped with a cleaning device to eliminate the biofouling; • the device according to the invention is floating on the ocean or kept immersed at shallow depth to overcome the effects of the swell;
  • the device according to the invention is placed on the ground or on the bottom in all or part under water, shallow;
  • FIG. 1 represents, from the prior art, a diagram representing a so-called closed cycle.
  • FIG. 2 represents, from the prior art, a diagram representing a so-called open cycle.
  • FIG. 3 represents, from the prior art, a diagram representing a so-called mistlift device.
  • FIG. 4 represents, from the prior art, a diagram showing a two-phase turbine.
  • Figure 5 shows a diagram of a first embodiment of the device in section seen from above.
  • Figure 6 shows a diagram of the device of Figure 5 in section seen from the side.
  • Fig. 7 shows a detailed view of a fog generator assembly of the first embodiment.
  • Figure 8 shows a variant of the first embodiment comprising a plurality of vertical levels.
  • FIG. 9 represents a diagram of a second embodiment of the device in section seen from above
  • FIG. 10 represents a diagram of the device of FIG. 9 in section seen from the side
  • FIG. 11 represents a diagram of a third embodiment of the device in section seen from above
  • Figure 12 shows a diagram of a fourth embodiment of the sectional device seen from the side.
  • hot water is here seawater extracted at the surface at a temperature that can generally vary between 20 and 30 ° C and the cold fluid It is referred to as cold water from seawater extracted from depths (usually between 500 and 1500m depth) and at a temperature of between 5 and 10 ° C, conditions found in the oceans of intertropical zones.
  • the devices described could of course operate with hot and cold fluids different from seawater or at temperatures substantially different from those indicated above with the condition of adaptations to devices obvious to a specialist.
  • FIG. 1 represents, in the prior art, a so-called closed cycle.
  • the working fluid 68 enters the evaporator 62 where it is evaporated by heat exchange with the hot water 60. It then passes into the turbine 63 where it expands providing work. It is then condensed in the condenser 64 by heat exchange with the cold water 65.
  • the cycle ends with the pressurization of the working fluid in the liquid state by the pump 67.
  • the main advantage of this cycle is the fact of being able to use a working fluid often ammonia with high vapor pressures at the temperatures considered, allowing turbines of reasonable size.
  • FIG. 2 represents, from the prior art, a so-called open cycle.
  • the hot water 71 is partially evaporated in a flash evaporator 73 under very low pressure, for example of the order of 0.03 bar.
  • the vapor 74 then passes through a turbine 75 where it relaxes producing work.
  • the vapor is then condensed in a condenser 76, most often in direct contact with the cold water 77.
  • a vacuum pump 79 makes it possible to maintain the vacuum in the circuit by evacuating the non-condensables.
  • An advantage of this cycle is the use of simple and efficient evaporator and direct contact condenser.
  • the steam Since the steam is at extremely low pressures, its volume density is also very low. For example, it takes about 80m 3 (cubic meter) for 1 kg (kilogram) of steam.
  • the volume flow rates in the turbine therefore become very important from a few MW of power and involve very high speeds and passage sections.
  • Figure 3 shows an example of the so-called mistlift process.
  • Hot water 45 taken at the surface 46, and more precisely at a first depth below the surface 49, is ejected with an ascending vertical speed by a device 41 making it possible to produce a multitude of micro droplets in a chamber 44 inside. from which a high vacuum is maintained.
  • This cold water gradually condenses the vapor 95 as the vapor moves towards the upper part of the enclosure 44.
  • a vacuum pump 47 makes it possible to evacuate the non-condensables out of the enclosure.
  • 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, especially given the very low density of the steam and its initial speed necessarily limited, and associated with very high heights. For example, such a 4 MW device for ⁇ would be 20m in diameter for nearly 100m high. We imagine the difficulties of realization and operation and the cost of such a device.
  • the device requires, to fully extract the energy contained in the steam, a significant height of the order of 100m.
  • the droplets will therefore have to travel this long distance with a very high probability of collision between drops or with the walls. Indeed, although initially homogeneous, the dimensions and speeds of the drops become more and more heterogeneous as collisions and coalescence phenomena.
  • FIG. 4 represents, in the prior art, a type of ejection device proposed for a diphasic liquid at the end of the arm or arms of a "hero" type reaction turbine.
  • An arm 81 carries the ejection device at its end.
  • the fluid 80 in the liquid phase or with a low vapor fraction is first expanded through a convergent 82 in which it is accelerated and from which it leaves at a speed 83.
  • the nucleation of vapor bubbles and a first part of their expansion can take place in this convergent 82.
  • the fluid After passing the convergent 82, the fluid passes through a neck and into a divergent 84 of the ejection device.
  • the divergent 84 makes it possible to continue the expansion of the fluid, in diphasic form, the vapor being created by flash evaporation.
  • the required flow rate of hot fluid is about 1m 3 / s per MW electric product. If the "Hero" type turbine has four arms, the flow per injection device for a 10MW electrical installation is 2.5m 3 / s. This flow requires a diameter at the neck of the ejection device of about 0.3m and a length of the diverging portion with a divergence angle of 6 ° of nearly 60m.
  • FIG. 5 represents a first embodiment seen in section from above of the device for converting the thermal energy of the invention into mechanical energy. It is completed by Figure 6 which shows the same device seen in side section.
  • the drawings are purely schematic and serve the purpose of helping to understand the device.
  • the device is part of an installation, which may include several 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 device comprises an enclosure 1, for example such as the chamber 44 of the state of the art, but not limited to, and delimiting an internal environment.
  • the chamber 1 has an axis 3 called rotation, fixed relative to the chamber 1.
  • the axis 3 of rotation, when the installation is put in place, is preferably substantially vertical.
  • axial designate any direction parallel to the axis 3 of rotation
  • transverse designate any direction perpendicular to the axis 3 of rotation
  • radial will designate in the following all direction, in a transverse plane, intersecting with the axis 3 of rotation, and “orthogonal” any direction, in a transverse plane, non-intersecting with the axis of rotation, with reference to components of a rotational speed about the axis 3 of rotation.
  • the enclosure comprises a wall defining the inner medium, and of cross section to the axis 3 of substantially circular or elliptical rotation about the axis 3 of rotation.
  • the wall of the enclosure 1 makes it possible to ensure the seal between the outside atmosphere and the interior of the the enclosure, where a partial vacuum is maintained, for example of the order of 0.013bars in the context of ⁇ .
  • This enclosure 1 can be made of any material to ensure its strength and its tightness. 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 we will preferably adopt a form to best withstand the external pressure, such as partially elliptical shapes, hemispherical, cylindrical, etc.
  • the enclosure 1 shown in FIGS. 5 and 6 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 12 for bringing and distributing hot water inside the enclosure 1.
  • the arrow 13 represents the arrival of hot water in the inlet pipe 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 device comprises a distributor 50, in fluid connection with the hot source. More specifically, according to the first embodiment, the distributor 50 comprises a first pipe 2 said central, extending along the axis 3 of rotation, and in fluid connection with the pipe 12 input.
  • the distributor 50 also comprises a second pipe 4, said arrival, extending transversely to the axis 3 of rotation from the central pipe 2.
  • the distributor comprises four inlet pipes 4, distributed at 90 ° around the axis 3 of rotation, each fixed rigidly to the central pipe 2. The number and distribution of the arrival lines 4 may, however, be otherwise.
  • the arrival pipes 4 may be rectilinear or curved.
  • the hot water enters the inlet pipe 12 and arrives at the arrival pipes 4 passing through the central pipe 2.
  • the hot water enters the central pipe 2 which is rotatably mounted about the axis 3 of rotation with respect to the enclosure 1, and more precisely, with respect to the walls of the enclosure 1.
  • a rotating seal 14 ensures sealing between the inlet pipe 12 and the central pipe 2 while allowing their relative rotation.
  • Bearings 15 equipped with the necessary means, such as bearings, stops, etc. allow to maintain the central pipe 2 substantially parallel to and aligned on the axis 3 of rotation.
  • the pipes 2, 4, 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 device comprises at least one generator and fog accelerator assembly, rigidly attached to the free end of an inlet pipe 4, for generating and accelerating a mist of water droplets in their own steam, inside the enclosure 1.
  • the generator and fog accelerator assembly comprises a receiver 5, through which the hot water arrives from the inlet pipe 4, followed by a mist generator 6, itself followed by a nozzle 7.
  • each inlet pipe 4 is provided at its free end with a generator assembly and fog accelerator.
  • the assembly formed by the central pipe 2, the inlet pipework 4 and the generator and mist generator assemblies is said to be rotating as it pivots around the axis 3 of rotation with respect to the enclosure 1.
  • the rotation of the rotating assembly is represented by the arrow 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 mist coming out of the nozzle which creates by reaction a thrust and causes the whole rotating in rotation.
  • 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 4, 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 4, 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, and generally at least with the nozzle 7.
  • the rolling device is for example in the form of a wheel train, to accompany the rotation of the wheel. assembly rotating in the chamber 1 about the axis 3 of rotation.
  • the rolling device is retractable.
  • the pressurized hot water is received at the end of each inlet pipe 4 in the receiver 5 whose shape makes it possible to minimize the pressure losses due to the displacement of the water and to eject under the effect of the pressure. water through the fog generator 6.
  • the fog generator 6 may be in a first example composed of a thin metal plate that is correctly supported and pierced with a multitude of holes of a shape suitable for creating jets with a minimum of pressure drop, these jets splitting rapidly to the output of the microdroplet plate.
  • the plate of the fog generator 6 may be made of stainless steel, 0.4 mm thick and pierced with a multitude of holes of conical shape with a diameter of 0.2 mm on the incoming side and 0, 1 mm of the outgoing side, spaced according to a square mesh of 2 mm of side.
  • Such a plate makes it possible to form circular jets with a diameter of 0.1 mm, splitting rapidly into microdroplets of about 0.2 mm in diameter.
  • the liquid jets at their output from the mist generator 6 have an initial relative speed in the chamber 1 substantially equivalent in modulus to the speed of the receiver 5 due to the rotation of the rotating assembly. Given the pressure conditions, close to the saturation pressure, at the outlet of the mist generator 6, part of the water is transformed almost instantaneously into vapor by taking the energy necessary for the vaporization in the sensible heat contained in the liquid phase which cools (flash evaporation). The ejection speed of the jets of the mist generator 6, their diameter and their spacing determines the conditions of this initial flash evaporation.
  • the mass of vapor produced during this initial flash evaporation can reach 1, 4% by weight of the liquid mass with a density of about 70 m 3 per kg for the vapor phase.
  • the fog generator 6, allowing the formation of micro-jets splitting microdroplets, is well suited to allow to treat very large flow rates of hot fluid, a very large contact area between vapor and liquid and a very small droplet size allowing rapid heat exchange between vapor and liquid and even inside the liquid. Flash evaporation is thus faster and more efficient.
  • the jets Shortly after the output of the fog generator 6 the jets break into billions of microdroplets of the order of 0.2 mm in diameter in the previous example, separated from each other by a distance of the order of 10 times their diameter and bathed in a vapor phase of very low density. It should be noted that the vapor phase and the liquid phase have equivalent initial speeds.
  • a nozzle 7 whose adapted shape makes it possible to obtain the expansion of the steam up to the pressure prevailing inside the enclosure of the order of 0.013 bar.
  • Each nozzle 7 is oriented orthogonally to the axis 3 of rotation on the free end of the corresponding inlet pipe 4, making it possible to generate a fog 8 of billions of droplets, the fog 8 of vapor and droplets being driven by an initial velocity at the output of the mist generator 6 represented by the arrows 9, the orthogonal direction of which is approximately opposite to the orthogonal component 1 1 of the speed of rotation of the rotating assembly.
  • the steam transforms its enthalpy into kinetic energy.
  • the pressure and temperature of the steam gradually decrease.
  • a difference in speeds is established between the speed of the droplets and the velocity of the vapor, inducing frictional forces and viscosity between droplets and vapor, in the nozzle 7.
  • the friction and viscosity forces are very much greater than the weight of these 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.
  • the droplets At the outlet of nozzles 7, 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 effectiveness of the device presented may be greater than 75% depending on the conditions.
  • the vapor and liquid phases separate, the flow 28 of steam being sucked by the vacuum at the level of the condensation means 16 inside the chamber 1, due to a pump 19 at vacuum located downstream of the condensation means 16 with respect to the circulation of steam inside the chamber 1.
  • the vacuum pump 19 also makes it possible to maintain the partial vacuum inside the chamber 1 while evacuating the non-condensable gases and the part of vapor that would not have condensed (arrow 26).
  • condensation means 16 must allow the condensation by direct thermal exchange and / or indirectly with cold seawater from the depths, and more precisely to a second depth, greater than the first depth from which the water is pumped. hot.
  • the condensation means 16 comprise a set of pipes 17 making it possible to supply cold water 27 inside the enclosure 1 and a system 18 for spraying cold water on the steam allowing its condensation.
  • the spraying system 18 may be a combination of different cross flow systems, against currents, etc.
  • the condensation means 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 20 makes it possible to recover cold water and condensed vapor together and a pump 21 makes it possible to evacuate them outside. of the enclosure 1 (arrow 25).
  • a recuperator 22 can recover the hot water and a pump 23 allows to evacuate outside the enclosure.
  • a generator 31 for transforming the mechanical energy of rotation of the rotating assembly into electrical energy It is a rotary linear alternator 31 directly coupled to the upper part of the central pipe 2 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 31 can of course be installed inside the enclosure 1 or outside thereof, provided that the central pipe 2 is extended by a rotating axis.
  • a conventional generator / reduction box system can also be considered.
  • the hydroelectric group 33 may be inserted into the central pipe 2 of hot fluid when it comes under pressure as illustrated in FIG. 8.
  • several hydroelectric groups may be inserted in each of the inlet pipes 4, using the pressurization generated by the rotation of the rotating assembly
  • FIG. 7 represents a schematic view of the rotating assembly and in particular of its elements 4, 5, 6 and 7.
  • the fog generator 6 must have a minimum pressure drop.
  • the shape of the holes, their diameter, their spacing, the material constituting the fog generator will also be adapted to this imperative.
  • the formation of a multitude of micro-jets at the output of the mist generator 6 makes it possible to create the mist in which the continuous phase is the vapor 8 and the dispersed phase the droplets.
  • This multitude of droplets has a contact surface with steam very favorable to heat exchange.
  • the nozzle 7 will usually be of divergent shape allowing the droplets in their rectilinear trajectory not to hit the walls.
  • FIG. 7 An angle A between the orthogonal speed 1 1 due to the rotation of the rotating assembly and the speed of ejection of the fluid at the output of the mist generator 6 has been represented in FIG. 7. It is indeed necessary to prevent the liquid droplets, after their ejection from the nozzle 7, to strike the next receiver 5 according to the direction of rotation.
  • One solution may be to provide 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 next receiver.
  • 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 10m 3 / s for hot and cold water.
  • the device has a turning radius of 20m for a rotational speed of 3rd / s (radians per second).
  • the peripheral speed due to rotation is 60m / s.
  • the pressure of the hot water due to the rotation is 17.9 bar in the receiver 5 resulting in a speed of ejection of 59.9m / s at the output of the fog generator 6 taking into account the pressure losses through this fog generator and the fact that the pressure at the outlet of this fog generator is much lower than the atmospheric pressure.
  • the ejection speed 9 is very close to the peripheral speed.
  • a nozzle of about 4m in length would then produce an average droplet velocity of 74 m / s at a speed of 168 m / s.
  • the raw efficiency of the device at the outlet of the nozzle 7 is 83%, allowing a net efficiency of 62% taking into account the consumption of the devices for pumping fluids and maintaining the vacuum.
  • the mechanical power restored is 7000 KW.
  • the device presented thus makes it possible while maintaining a high efficiency to limit the rotational speeds and the centrifugal forces thanks to an excellent mechanical coupling of the liquid and vapor phase.
  • the output speeds of the fog generator 6 however remain sufficiently high (approximately 60 m / s) to allow moderate sections of the mist generator 6.
  • the device according to the invention makes it possible to choose the speed of rotation and the radius of the rotating assembly as well as the dimensions of the drops produced and the length of the nozzle 7 making it possible to find the best compromise between the following constraints:
  • the path length of the droplets in the proposed device is very limited, limiting the numbers of collisions between drops and with the walls, a source of significant energy losses, unlike devices proposing a vertical elevation of the liquid phase necessitating pathways. 100m.
  • the fog generator 6 may comprise a multitude of two-phase nozzles, of the order of several thousand, each comprising at least one convergent corresponding to a hole of the plate-shaped mist generator 6, previously presented, a neck and a divergent in which a two-phase diphasic relaxation takes place.
  • the two-phase nozzles are contiguous to each other and arranged so that there is the minimum of discontinuity between the sum of the output sections of the two-phase nozzles and the section immediately downstream.
  • the two-phase nozzles may or may not be extended by a complementary expansion nozzle, for example the nozzle 7 previously presented, common to all the two-phase nozzles, when the entire expansion has not been performed in the multitude of nozzles Two phase.
  • FIG. 9 represents a second embodiment seen in section from above of the device proposed by the present invention. It is completed by the figure 10 which represents this same device seen in side section.
  • the drawings are purely schematic and serve the purpose of helping to understand the device.
  • the hot water is admitted into the stationary central pipe 2 which distributes it in the fixed supply lines 4 with respect to the chamber 1 as well.
  • These delivery lines 4 convey water to the periphery to a receiver 5.
  • the receiver 5 has a cylindrical annular shape with an axis 3 and makes it possible to distribute the hot water over the entire periphery to the mist generator 6.
  • the receiver 5 and the mist generator 6 according to FIG. second embodiment are common to all of the inlet pipe 4, and are rigidly fixed to the inlet pipes 4.
  • the mist generator 6 Under the effect of the initial pressure of the hot fluid, the mist generator 6 generates a mist 8 of droplets, dispersed in their own vapor and driven by an initial speed 9 having a centrifugal component, that is to say say radial towards the periphery of the enclosure 1.
  • the assembly rotating about the axis 3 of rotation comprises partitions 91 parallel to the axis 3 progressively away from it by forming a spiral portion and integral with two upper and lower plates 92, extending transversely.
  • the combination of two partitions 91 forms a nozzle 7.
  • the device comprises two nozzles 7, each being defined between two spiral partitions 91.
  • the number of partitions 91 determines the number of nozzles 7 carried by the rotating assembly.
  • the rotating assembly is provided with seals 14 and bearings 15 on the central pipe 2 necessary for its rotation.
  • the centrifugal radial velocity of the droplets, the speed of rotation of the rotating assembly and the shape of the spiral of the nozzles 7 are determined so that the fog 8 of droplets fills the space between the fog generator 6 and partitions 91 tuyeres 7 without reaching those ci.
  • the droplets are then accelerated by the vapor which expands to the outlet of the nozzle 7.
  • the arrow 90 represents the relative speed with respect to the rotating assembly 30 of the drops. nozzle outlet.
  • the accelerated fluid exiting the nozzle creates by reaction a thrust that drives the rotating assembly.
  • the means for condensing the steam, maintaining the vacuum in the chamber 1 and the evacuation of the fluids are similar to those of the configuration shown in FIGS. 5 and 6, and are shown in FIG. 10 using the same references. .
  • a generator 31 such as a rotary linear alternator driven in rotation by the rotating assembly makes it possible to transform the mechanical energy of the nozzles 7 into rotation in "enclosure 1
  • the device can have several levels of assemblies 4, 5, 6, 91, 92 and 7 along the axis 3.
  • Figure 1 1 shows a third embodiment seen in section from above the device according to the invention.
  • the drawings are purely schematic and serve the purpose of helping to understand the device.
  • the fixed distributor 50 can bring the hot water to a receiver 5.
  • the receiver 5 has a cylindrical annular shape of axis 3 and distributes the hot water over the entire periphery of a fog generator 6, located at the periphery of the rotating assembly.
  • the rotating assembly comprises, in a manner similar to the rotating assembly of the second embodiment, nozzles 7, in this case two nozzles 7 in the illustrated example, each nozzle 7 being formed by two partitions 91 parallel to the axis 3 of rotation, progressively approaching it by forming a spiral portion and secured to two upper and lower trays 92.
  • the mist generator 6 Under the effect of the initial pressure of the hot fluid, the mist generator 6 generates a mist of droplets, dispersed in their own vapor and driven at an initial speed 90 having a centripetal radial component, that is to say say towards the axis 3 of rotation.
  • the assembly turning around axis 3 is composed of partitions 91.
  • the number of partitions 91 determines the number of nozzles 7 carried by the rotating assembly
  • centripetal radial velocity of the droplets, the speed of rotation of the rotating assembly and the shape of the spiral are determined so that the mist of droplets fills the space between the mist generator 6 and the septa 91 of the nozzles 7 without reaching those.
  • the droplets are then accelerated by the vapor which expands to the outlet of the nozzle 7.
  • the arrow 90 represents the relative speed with respect to the rotating assembly of the drops in FIG. the nozzle.
  • the accelerated fluid exiting the nozzle creates by reaction a thrust that drives the rotating assembly.
  • the means for condensing the vapor, maintaining the vacuum in the chamber 1 and the evacuation of the fluids are arranged so as to allow the condensation of the steam leaving the nozzles 7, maintaining the vacuum after condensation of the vapor and evacuation of hot and cold fluids. They can be arranged inside the rotating assembly or outside thereof, pipes for the transport of different fluids.
  • the device can have several levels of assemblies 4, 5, 6, 91, 92 and 7 along the axis 3.
  • FIG. 12 represents a fourth embodiment seen in side section of the device according to the invention.
  • Hot water is admitted into the stationary central pipe 2 which distributes it in the fixed supply lines 4.
  • These inlet pipes 4 convey the water to the periphery each to a common receiver 5, fixed to the pipes 4 of arrival.
  • the receiver 5 has a cylindrical annular shape with axis 3 of rotation and makes it possible to distribute the hot water on its lower surface to a mist generator 6.
  • the assembly rotating about the axis 3 comprises a cylindrical central hub extended by a set of nozzles 7 formed by a set of radial blades.
  • the rotating assembly is provided with seals and bearings 15 on the central pipe 2 necessary for its rotation.
  • the axial speed of the droplets, the speed of rotation of the rotating assembly and the shape of the nozzles are determined so that the mist of droplets flows through the nozzles 7 without touching their partitions.
  • the droplets are then accelerated by the vapor which expands to the outlet of the nozzles.
  • the accelerated fluid leaving the nozzles 7 creates by reaction a thrust transverse to the axis 3 of rotation which drives the rotating assembly.
  • the means for condensing the steam, maintaining the vacuum in the chamber and the evacuation of the fluids are the same as those of the configuration of the first embodiment shown in FIGS. 5 and 6.
  • the generator 31 for converting the mechanical energy into electrical energy shown is a rotary linear alternator driven in rotation by the rotating assembly.
  • the device can have several levels of assemblies 4, 5, 6 and 30 along the axis 3.
  • the device proposed according to the invention makes it possible to transform into mechanical energy the thermal energy contained in two fluids with a small temperature difference with good efficiency and a simple and inexpensive device.

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Abstract

Dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud provenant d'une source chaude et un fluide froid provenant d'une source froide, comprenant une enceinte (1) résistant à la pression, le dispositif comprenant en outre, à l'intérieur de l'enceinte (1), au moins :- un distributeur (50); un ensemble (30) générateur et accélérateur de brouillard à l'intérieur de l'enceinte (1), des moyens (16) de condensation; des moyens d'évacuation des fluides hors de l'enceinte (1); le dispositif étant caractérisé en ce que l'ensemble (30) générateur et accélérateur de brouillard comprend au moins: un générateur (6) de brouillard; une tuyère (7) montée en rotation autour de l'axe (3) de rotation par rapport à l'enceinte (1).

Description

Dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud et un fluide froid, et installation comprenant un tel dispositif
La présente invention concerne un dispositif de conversion d'énergie thermigue en énergie mécanigue. Il s'appligue à la conversion de l'énergie thermigue entre une source chaude et une source froide à faible différence de températures et plus particulièrement à l'énergie thermigue des mers.
La conversion en énergie mécanigue de l'énergie thermigue 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 par exemple :
• la géothermie de faible température (température de la source chaude de 60°C à 150°C) ;
• les rejets industriels de chaleur à faible température (température de la source chaude de 70°C à 500°C) ;
· l'énergie thermigue des mers (ETM), avec une température de la source chaude de 20°C à 30°C, et une différence de température entre les couches de surface et les couches profondes des océans gui atteint près de 20°C dans les zones inter tropicales.
De nombreux dispositifs de conversion de cette énergie thermigue en énergie mécanigue ont été proposés mais les applications industrielles sont encore peu nombreuses compte tenu des points suivants :
• Les différences de température très faibles entre source chaude et source froide impliguent un taux maximal théorigue de conversion de l'énergie thermigue en énergie mécanigue très faible (de l'ordre de 7% pour ΙΈΤΜ).
• L'efficacité des dispositifs proposés reste très limitée ce gui réduit encore ce taux de conversion.
• En conséguence, les volumes de fluide à traiter sont extrêmement importants, nécessitant des dispositifs d'échange de chaleur très grands.
On peut diviser les solutions proposées dans l'art antérieur ainsi :
• les solutions gui font appel à un cycle de Rankine organigue c'est à dire dans leguel 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 mécanigue 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 volumigues de vapeur importantes aux températures considérées et donc des turbines de dimension raisonnables. Il présente cependant des inconvénients majeurs notamment la taille énorme des échangeurs de chaleur entre les sources chaudes et froides et le fluide de travail gui doivent pouvoir traiter des débits très importants avec un pincement de température minimum. Les risgues de « biofouling » (incrustation des organismes vivants dans les différents éguipements) de ces échangeurs dans le cas de ΙΈΤΜ sont très importants et la nécessité d'utiliser des fluides de travail comme l'ammoniaque présente également de réels dangers 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 (ce phénomène étant connu sous le nom de 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'énorme avantage d'éviter des échangeurs de chaleur surdimensionnés entre 2 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 Watt). 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.
• Des solutions dans lesquelles l'eau chaude subie une vaporisation flash, sa vapeur détendue dans un divergent vertical où elle communique une partie de son énergie à de l'eau liquide de façon à élever cette eau dans le dispositif en luttant contre la gravité. L'énergie est ensuite récupérée par simple turbinage hydraulique de la phase liquide qui a été élevée. Les solutions proposées sont notamment d'élever l'eau :
1. sous forme de bulles, comme décrit par exemple 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 par exemple 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 a conserver la stabilité de la mousse semblent rédhibitoires.
3. sous forme de gouttes, comme décrit par exemple dans le document US 4,441 ,321 dans lequel des microgouttes sont élevées par leur propre vapeur dans une enceinte verticale. Bien que simple, ce dispositif présente l'inconvénient de nécessiter des sections de passage de la vapeur très grandes (compte tenu de la très faible masse volumique de la vapeur et de sa vitesse initiale limitée) associés à des hauteurs très importantes. A titre d'exemple un tel dispositif de 4 MW pour ΙΈΤΜ ferait 20m de diamètre pour près de 100m de haut. On imagine les difficultés de réalisation et d'opération et le coût d'un tel dispositif. On peut également citer les importantes pertes énergétiques par collision des microgouttes avec les parois ou entre elles compte tenu de la distance verticale très grande à parcourir. • Enfin, on peut 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 détendues dans des dispositifs séparés adaptés à chaque phase. Ces solutions présentent une grande complexité et des efficacités médiocres 2. les solutions dans lesquels le fluide est détendu à travers un ajutage, se vaporisant en partie en sortie de l'ajutage, l'ensemble liquide et vapeur se détendant ensuite à travers une tuyère adaptée. Compte tenu de la présence d'une phase liquide très importante, toute détente dans une turbine présentant des changements de direction du fluide est proscrite sous peine d'altérer rapidement les pales. Il reste la solution de la turbine à réaction à un seul étage. Dans ce type de turbine, il est nécessaire pour conserver une bonne efficacité que la vitesse absolue du fluide en sortie de détente soit la plus faible possible. Or, le fluide éjecté est pour plus de 95% en masse sous forme liquide alors que la masse de la partie vapeur reste très faible. Cependant, c'est la vapeur qui transforme la plus grande partie de l'enthalpie disponible en énergie cinétique lors de la détente. 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.
Le dispositif selon l'invention permet d'apporter une réponse à ces difficultés, en particulier : il permet d'éviter les problèmes lies aux échangeurs de chaleur surdimensionnés des cycles fermés ;
il permet de traiter des débits de fluide chaud très importants tout en conservant une bonne efficacité
il permet d'utiliser uniquement l'eau de mer grâce à un cycle ouvert dans le cas de ΙΈΤΜ ; il permet de maximiser le couplage mécanique entre la phase liquide et la phase vapeur tout en autorisant une vitesse de la phase liquide proche de la vitesse périphérique et d'obtenir ainsi des vitesses absolues de la phase liquide très faible en sortie de détente associée à des vitesses absolues de la phase vapeur limitées, permettant une excellente efficacité du dispositif ;
il permet de limiter la longueur de parcours de la phase liquide diminuant les risques de collision entre éléments liquides ou avec les parois ;
il permet de limiter la vitesse de rotation de la partie tournante, son inertie ainsi que les forces centrifuges qui s'exercent sur les différents composants en conservant une bonne efficacité ;
sa construction est simple, à base de matériaux peu coûteux et sans contraintes de précision importantes ;
il n'utilise aucun fluide présentant des risques pour l'environnement notamment dans le cas où le fluide des sources chaudes et froides est de l'eau. il permet d'utiliser uniquement l'eau de mer comme fluide de travail dans le cas de ΙΈΤΜ ;
Dans le texte qui suit, les termes gouttelettes ou microgouttelettes désignent des gouttes de diamètre depuis une dizaine de microns à quelques millimètres.
L'expression « brouillard de gouttelettes » désigne un amas de gouttelettes (plusieurs millions voir milliards par m3) dispersées dans la vapeur générée par leur propre évaporation partielle.
Le dispositif selon l'invention concerne, selon un premier aspect, un dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud provenant d'une source chaude et un fluide froid provenant d'une source froide, le fluide chaud étant à une température supérieure à celle du fluide froid. Le dispositif comprend au moins une enceinte résistant à la pression extérieure définissant un milieu intérieur, le dispositif comprenant en outre, à l'intérieur de la au moins une enceinte, au moins :
un distributeur en rotation ou non autour d'un axe de rotation dans l'enceinte, comprenant une entrée destinée à être en connexion fluidique avec la source chaude à l'extérieur de l'enceinte ;
un ensemble générateur et accélérateur de brouillard à l'intérieur de l'enceinte, le brouillard comprenant un mélange de gouttelettes et de vapeur, l'ensemble générateur et accélérateur de brouillard étant alimenté en fluide chaud par le distributeur,
- des moyens de condensation, aptes à être en connexion fluidique avec la source froide, permettant la condensation par refroidissement au moyen du fluide de la source froide de la vapeur produite à l'intérieur de l'enceinte ;
des moyens d'évacuation des fluides hors de l'enceinte.
L'ensemble générateur et accélérateur de brouillard comprend au moins :
- un générateur de brouillard, en connexion fluidique avec le distributeur permettant de générer un brouillard de gouttelettes de fluide chaud animées d'une vitesse initiale et dispersées dans la vapeur formée par leur propre évaporation partielle ;
une tuyère montée en rotation autour de l'axe de rotation par rapport à l'enceinte permettant de détendre et de guider à l'intérieur de l'enceinte le brouillard de gouttelettes et de vapeur générées par le générateur de brouillard, la au moins une tuyère s'étendant au moins partiellement dans une direction transversale à l'axe de rotation de sorte que le flux de brouillard entraîne par réaction la rotation de la tuyère autour de l'axe de rotation.
Selon un premier mode de réalisation, le au moins un distributeur et le au moins un générateur de brouillard sont fixés rigidement à la au moins une tuyère, en rotation autour de l'axe de rotation, la au moins une tuyère étant dans le prolongement du au moins un générateur de brouillard, le au moins un générateur de brouillard étant orienté par rapport à l'axe de rotation de telle manière que la vitesse initiale relative par rapport au générateur de brouillard des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard comprend une composante transversale à l'axe de rotation qui est sensiblement opposée à la composante orthogonale de la vitesse de rotation de la au moins une tuyère autour de l'axe de rotation.
Selon un deuxième mode de réalisation, le au moins un distributeur est fixe par rapport à l'enceinte, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard possédant une composante radiale centrifuge et la au moins une tuyère en rotation autour de l'axe de rotation est positionnée en périphérie du au moins un générateurs de brouillard.
Selon un troisième mode de réalisation, le au moins distributeur est fixe dans l'enceinte, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard possédant une composante radiale centripète et la au moins une tuyère en rotation autour de l'axe de rotation est positionnée plus près de l'axe de rotation que le ou les générateurs de brouillard.
Selon un quatrième mode de réalisation, le ou les distributeurs sont fixes dans l'enceinte, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard possédant une composante axiale parallèle à l'axe de rotation et la au moins une tuyère en rotation autour de l'axe étant positionnée en décalage axial par rapport à l'au moins un générateur de brouillard.
Selon un exemple de réalisation, l'axe de rotation est vertical.
Le au moins un générateur de brouillard peut comprendre au moins une plaque percée d'une multitude de trous de forme, de dimensions et d'espacement spécialement optimisés pour produire un brouillard de gouttelettes.
De plus, le au moins un générateur de brouillard peut comprendre au moins une multitude de buses diphasiques, chaque buse diphasique comportant au moins un convergent, un col et un divergent, les buses diphasiques étant accolées les unes aux autres.
Selon un exemple de réalisation, les fluides de la source chaude et de la source froide sont de l'eau. Par exemple, la source chaude est l'eau de surface et la source froide l'eau des profondeurs d'un océan.
Le dispositif peut comprendre en outre un générateur permettant de transformer l'énergie mécanique générée par la rotation de la au moins une tuyère en énergie électrique. Le générateur peut être par exemple un générateur électrique couplé directement ou par l'intermédiaire d'une boite de réduction à la au moins une tuyère. En variante, le générateur peut comprendre un ou des groupes hydroélectriques permettant de transformer tout ou partie de l'énergie de pression du fluide chaud dans le distributeur en énergie électrique.
Selon un mode de réalisation, les moyens de condensation utilisent la condensation par contact direct entre de la vapeur à condenser et le fluide de la source froide. En variante, les moyens de condensation utilisent la condensation au moins en partie sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide provenant de la source froide. Selon cette variante, le dispositif peut comprendre alors au moins un récupérateur permettant la récupération de l'eau douce provenant de la condensation de la vapeur sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide de la source froide.
De plus, le dispositif peut comprendre un dispositif de roulage permettant de supporter en tout ou partie le poids des éléments Le au moins un générateur de brouillard peut être muni d'un dispositif de nettoyage permettant d'éliminer le biofouling.
Selon un exemple de réalisation, le dispositif comprend en outre des moyens de flottaison. Selon un deuxième aspect, l'invention propose une installation de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud provenant d'une source chaude et un fluide froid provenant d'une source froide, l'installation comprenant au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant en connexion fluidique d'une part avec la source chaude et d'autre part avec la source froide.
L'installation peut présenter les caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison : - l'axe de rotation est vertical ;
le fluide chaud et le fluide froid sont de l'eau ;
la source d'eau chaude est de l'eau d'un océan à une première profondeur sous la surface et la source d'eau froide est de l'eau de l'océan à une deuxième profondeur sous la surface supérieure à la première profondeur ;
- la au moins une enceinte est flottante sur un océan ou maintenue immergée à une profondeur déterminée dans un océan pour s'affranchir des effets de la houle ;
la au moins une enceinte repose sur terre ou sur le fond d'une surface d'eau.
Il s'agit donc de générer un brouillard de gouttelettes de fluide chaud et de les éjecter avec une vitesse initiale. Le dispositif générateur et accélérateur de brouillard peut être fixe ou en rotation autour d'un axe de l'enceinte.
Compte tenu de la pression très faible régnant dans l'enceinte, les gouttelettes se vaporisent partiellement et sont donc dispersées dans leur propre vapeur.
L'ensemble gouttelettes et vapeur est alors guidé et détendu à travers une ou des tuyères, l'enthalpie de la vapeur se transformant en énergie cinétique.
Sous l'effet des forces de viscosité et de frottement qui sont très importantes comparées à la masse des gouttelettes compte tenu de leur petite taille, la vapeur communique une grande partie de cette énergie cinétique aux gouttelettes qui sont accélérées dans la ou les tuyères et communiquent une poussée à celles ci.
La vitesse finale des gouttelettes est faible comparée à celle qu'aurait acquise la vapeur seule pour la même chute d'enthalpie.
Les tuyères tournent autour d'un axe et communiquent cette poussée à l'ensemble tournant.
La vitesse initiale des gouttelettes, la disposition des tuyères et leur vitesse de rotation sont arrangées de façon à engendrer une trajectoire quasi rectiligne des gouttelettes dans la ou les tuyères, permettant d'éviter toute collision avec les parois des tuyères.
Plusieurs dispositions peuvent convenir.
On peut citer sans que cela soit limitatif :
• Une disposition en « tourniquet » dans laquelle le ou les distributeurs sont en rotation autour de l'axe, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le ou les générateurs de brouillard est sensiblement opposée à la vitesse périphérique due à leur rotation et des tuyères prolongent et sont solidaires de chaque générateur de brouillard.
• Une disposition « radiale » centrifuge dans laquelle le ou les distributeurs sont fixes, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le ou les générateurs de brouillard possède une composante radiale centrifuge et les tuyères en rotation autour de l'axe sont positionnées en périphérie du ou des générateurs de brouillard.
• Une disposition « radiale » centripète dans laquelle le ou les distributeurs sont fixes, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le ou les générateurs de brouillard possède une composante radiale centripète et les tuyères en rotation autour de l'axe sont positionnées plus près de l'axe de rotation que le ou les générateurs de brouillard.
• Une disposition « axiale » dans laquelle le ou les distributeurs sont fixes, la vitesse initiale des gouttelettes générées par le ou les générateurs de brouillard possède une composante axiale et les tuyères en rotation autour de l'axe sont positionnées en décalage axial par rapport au ou aux générateurs de brouillard.
Selon des modes particuliers de réalisation :
• l'axe de rotation est vertical ;
• le ou les générateurs de brouillard comprennent une ou des plaques percées d'une multitude de trous de forme, de dimensions et d'espacement optimisés pour produire un brouillard de gouttelettes ;
· les fluides de la source chaude et de la source froide sont de l'eau ;
• la source chaude est l'eau de surface et la source froide l'eau des profondeurs d'un océan ;
• un générateur permet de transformer l'énergie mécanique générée par le dispositif suivant l'invention en énergie électrique ;
• le générateur est un générateur électrique couplé directement ou par l'intermédiaire d'une boite de réduction à l'ensemble tournant ;
• le générateur est constitué par un ou des groupes hydroélectriques permettant de transformer tout ou partie de l'énergie de pression du fluide chaud dans les canalisations centrale et d'amenée en énergie électrique ;
• les moyens de condensation utilisent la condensation par contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide de la source froide ;
• les moyens de condensation utilisent la condensation au moins en partie sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide provenant de la source froide ;
• un récupérateur permet la récupération de l'eau douce provenant de la condensation de la vapeur sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide de la source froide ;
· un dispositif de roulage permet de supporter en tout ou partie le poids des éléments en rotation dans l'enceinte de l'ensemble générateur et accélérateur de brouillard ;
• le ou les générateurs de brouillard sont munis d'un dispositif de nettoyage permettant d'éliminer le biofouling ; • le dispositif suivant l'invention est flottant sur l'océan ou maintenu immergé à faible profondeur pour s'affranchir des effets de la houle ;
• le dispositif suivant l'invention est posé à terre ou sur le fond en tout ou partie sous l'eau, à faible profondeur ;
Les dessins annexés illustrent l'invention :
La figure 1 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant un cycle dit fermé.
La figure 2 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant un cycle dit ouvert.
La figure 3 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant un dispositif dit mistlift. La figure 4 représente parmi l'art antérieur un schéma représentant une turbine diphasique.
La figure 5 représente un schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif en coupe vue de dessus.
La figure 6 représente un schéma du dispositif de la figure 5 en coupe vu de coté.
La figure 7 représente une vue détaillée d'un ensemble générateur de brouillard du premier mode de réalisation.
La figure 8 représente une variante du premier mode de réalisation comprenant plusieurs niveaux verticaux.
La figure 9 représente un schéma d'un deuxième mode de réalisation du dispositif en coupe vu de dessus
La figure 10 représente un schéma du dispositif de la figure 9 en coupe vu de coté
La figure 1 1 représente un schéma d'un troisième mode de réalisation du dispositif en coupe vu de dessus
La figure 12 représente un schéma d'un quatrième mode de réalisation du dispositif en coupe vu de coté.
Les dispositifs représentés 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 20 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 et 10°C, conditions que l'on trouve dans les océans des zones intertropicales.
Les dispositifs décrits pourraient bien sur fonctionner avec des fluides chaud et froid différents de l'eau de mer ou à des températures sensiblement différentes de celles indiquées ci dessus à la condition d'adaptations sur les dispositifs évidentes pour un spécialiste.
La figure 1 représente parmi l'art antérieur un cycle dit fermé.
Le fluide de travail 68 pénètre dans l'évaporateur 62 où il est évaporé par échange de chaleur avec l'eau chaude 60. Il passe ensuite dans la turbine 63 où il se détend en fournissant du travail. Il est ensuite condensé dans le condenseur 64 par échange thermique avec l'eau froide 65. Le cycle se termine par la pressurisation du fluide de travail à l'état liquide par la pompe 67. L'avantage principal de ce cycle est le fait de pouvoir utiliser un fluide de travail souvent l'ammoniaque avec des pressions de vapeur importantes aux températures considérées, permettant des turbines de taille raisonnable.
Par contre, il nécessite des échangeurs pouvant accepter des débits d'eau de plusieurs dizaines de m3/s, avec des pincements de l'ordre de quelques degrés donc de très grande taille. Le coût des échangeurs et les problèmes de « biofouling » associés deviennent des contraintes majeures de ce cycle.
La figure 2 représente parmi l'art antérieur un cycle dit ouvert.
L'eau chaude 71 est partiellement évaporée dans un évaporateur flash 73 sous pression très faible, par exemple de l'ordre de 0,03 bars. La vapeur 74 passe ensuite à travers une turbine 75 où elle se détend en produisant du travail. La vapeur est ensuite condensée dans un condenseur 76 le plus souvent à contact direct avec l'eau froide 77.
Une pompe à vide 79 permet de maintenir le vide dans le circuit en évacuant les non- condensables.
Un avantage de ce cycle est l'utilisation d'évaporateur et de condenseur à contact direct, simples et efficaces.
La vapeur étant à des pressions extrêmement faible, sa densité volumique est elle aussi très faible. Par exemple, il faut environ 80m3 (mètre cube) pour 1 kg (kilogramme) de vapeur.
Les débits volumiques dans la turbine deviennent donc très importants à partir de quelques MW de puissance et impliquent des vitesses et des sections de passage très importantes.
On atteint alors les limites actuelles des matériaux de construction de la turbine en terme de résistance, notamment aux forces centrifuges.
La figure 3 représente un exemple du procédé dit mistlift.
De l"eau chaude 45 prise en surface 46, et plus précisément à une première profondeur sous la surface 49, est éjectée avec une vitesse verticale ascendante par un dispositif 41 permettant de produire une multitude de micro gouttelettes dans une enceinte 44 à l'intérieur de laquelle un vide poussé est maintenu.
Les gouttelettes sous l'effet du vide se vaporisent partiellement (vaporisation flash). La vapeur est alors détendue dans un divergent vertical 43 où elle communique une partie de son énergie aux gouttelettes d'eau en les élevant contre la gravité.
De l'eau froide 40 pompée des profondeurs, et plus précisément à une deuxième profondeur sous la surface, supérieure à la première profondeur, est injectée le long des parois à mi hauteur de l'enceinte 44 avec une vitesse ascendante initiale. Elle est elle même entraînée par l'ensemble gouttelettes et vapeur vers le haut.
Cette eau froide permet de condenser graduellement la vapeur 95 au fur et à mesure que cette vapeur se déplace vers la partie haute de l'enceinte 44.
L'ensemble eau froide, gouttelettes d'eau chaude et vapeur restante converge au sommet de l'enceinte 44 en suivant des parois convergentes de l'enceinte 44, où la partie liquide est rejetée dans l'océan. Une pompe à vide 47 permet d'évacuer les non-condensables hors de l'enceinte.
L'énergie du dispositif est récupérée au moyen d'une turbine hydraulique 42 insérée dans le canal d'amenée de l'eau chaude.
Bien que simple, ce dispositif présente l'inconvénient de nécessiter des sections de passage de la vapeur très grandes, compte tenu notamment de la très faible masse volumique de la vapeur et de sa vitesse initiale nécessairement limitée, et associées à des hauteurs très importantes. A titre d'exemple, un tel dispositif de 4 MW pour ΙΈΤΜ ferait 20m de diamètre pour près de 100m de haut. On imagine les difficultés de réalisation et d'opération et le coût d'un tel dispositif.
De plus, le dispositif nécessite, pour extraire totalement l'énergie contenue dans la vapeur, une hauteur importante de l'ordre de 100m.
Les gouttelettes devront donc parcourir cette longue distance avec une très forte probabilité de collision entre gouttes ou avec les parois. En effet, bien qu'homogène au départ, les dimensions et les vitesses des gouttes deviennent de plus en plus hétérogènes au fur et à mesure des collisions et des phénomènes de coalescence.
Chaque collision constitue une perte d'énergie pour le dispositif. Il semble donc qu'une perte importante se fera à travers ces collisions. De plus, les gouttes les plus grosses ne seront pas ou peu entraînées par la vapeur et risquent de retomber dans l'enceinte. Enfin, la convergence des gouttelettes pour former un jet unique au sommet de l'enceinte ne pourra se faire sans une importante perte d'énergie.
La figure 4 représente, dans l'art antérieur, un type de dispositif d'éjection proposé pour un liquide diphasique à l'extrémité du ou des bras d'une turbine à réaction type « hero ».
Un bras 81 porte le dispositif d'éjection à son extrémité. Le fluide 80 en phase liquide ou avec une fraction de vapeur faible est tout d'abord détendu à travers un convergent 82 dans lequel il est accéléré et duquel il sort à une vitesse 83. La nucléation de bulles de vapeur et une première partie de leur détente peut avoir lieu dans ce convergent 82. Après passage du convergent 82, le fluide passe à travers un col puis dans un divergent 84 du dispositif d'éjection. Le divergent 84 permet de continuer la détente du fluide, sous forme diphasique, la vapeur étant créée par évaporation flash.
Cette évaporation flash nécessite un transfert thermique important entre la phase liquide et la phase vapeur. De plus, le couplage mécanique entre la phase vapeur accélérée par la détente et la phase liquide n'est important que si le liquide est atomisé en une multitude de gouttelettes qui pourront alors plus facilement être entraînées par la phase vapeur. Or, pour des températures modérées de source chaude et une faible différence de température entre source chaude et source froide, les rendements de conversion entre énergie thermique et énergie mécanique sont nécessairement faibles. Les débits de fluide chaud à travers le dispositif d'éjection doivent donc être très importants pour obtenir une quantité d'énergie mécanique intéressante industriellement. A cet effet, le diamètre au col devient extrêmement grand, entraînant des longueurs de la partie divergente très importantes, l'angle de divergence étant limité à quelques degrés pour conserver un bon écoulement. En conséquence, les transferts thermiques entre phase liquide et phase vapeur sont médiocres ainsi que l'atomisation du jet liquide. Compte tenu des faibles surfaces de contact entre liquide et vapeur, la partie centrale du fluide reste sous la forme d'un jet liquide avec une phase dispersée constituée de bulles de vapeur alors que la partie la plus près des parois est essentiellement constituée de vapeur à l'exception de gouttelettes arrachées à la surface du jet central. Le couplage vapeur / liquide est alors très médiocre, entraînant des différences importantes entre la vitesse 86 du liquide 88 et la vitesse 87 de la vapeur 85, et par là une faible efficacité du dispositif.
A titre d'exemple, dans le cas de ΙΈΤΜ, avec une température de source chaude de 28°C et une température de source froide de 8°C, le débit nécessaire de fluide chaud est d'environ 1m3/s par MW électrique produit. Si la turbine type « Hero » comporte quatre bras, le débit par dispositif d'injection pour une installation de 10MW électrique est de 2,5m3/s. Ce débit nécessite un diamètre au col du dispositif d'éjection d'environ 0,3m et une longueur de la partie divergente avec un angle de divergence de 6° de près de 60m.
Il apparaît donc clairement que compte tenu des débits à traiter pour des températures modérées et des puissances importantes, les dispositifs d'éjection proposés dans l'art antérieur ne sont pas adaptés.
La figure 5 représente un premier mode de réalisation vue en coupe de dessus du dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique selon l'invention. Elle est complétée par la figure 6 qui représente ce même dispositif vue en coupe de coté. Les dessins sont purement schématiques et ont pour fonction d'aider à la compréhension du dispositif.
Le dispositif fait partie d'une installation, laquelle peut comprendre plusieurs dispositifs. 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 comprend une enceinte 1 , par exemple telle que l'enceinte 44 de l'état de la technique, mais non limitativement, et délimitant un milieu intérieur. L'enceinte 1 présente un axe 3 dit de rotation, fixe par rapport à l'enceinte 1. L'axe 3 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 3 de rotation et « transversal » désignera toute direction perpendiculaire à l'axe 3 de rotation. Par ailleurs « radial » désignera dans la suite toute direction, dans un plan transversal, sécante avec l'axe 3 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 3 de rotation.
Par exemple, l'enceinte comprend une paroi délimitant le milieu intérieur, et de section transversale à l'axe 3 de rotation sensiblement circulaire ou elliptique autour de l'axe 3 de rotation. La paroi de l'enceinte 1 permet d'assurer l'étanchéité entre l'atmosphère extérieure et l'intérieur de l'enceinte, où un vide partiel est maintenu, par exemple de l'ordre de 0,013bars dans le cadre de ΙΈΤΜ.
Cette enceinte 1 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 1 , 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 1 représentée sur les figures 5 et 6 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 12 d'entrée, permettant d'amener et de distribuer à l'intérieur de l'enceinte 1 de l'eau chaude. La flèche 13 représente l'arrivée de l'eau chaude dans la canalisation 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 comprend un distributeur 50, en connexion fluidique avec la source chaude. Plus précisément, selon le premier mode de réalisation, le distributeur 50 comprend une première canalisation 2 dite centrale, s'étendant selon l'axe 3 de rotation, et en connexion fluidique avec la canalisation 12 d'entrée. Le distributeur 50 comprend également une deuxième canalisation 4, dite d'arrivée, s'étendant transversalement à l'axe 3 de rotation à partir de la canalisation 2 centrale. Comme illustré sur la figure 5 notamment, le distributeur comprend quatre canalisations 4 d'arrivée, réparties à 90° autour de l'axe 3 de rotation, fixées chacune rigidement à la canalisation 2 centrale. Le nombre et la répartition des canalisations 4 d'arrivée pourront toutefois en être autrement. Les canalisations 4 d'arrivée peuvent être rectilignes ou incurvées.
Ainsi, l'eau chaude pénètre dans la canalisation 12 d'entrée et arrive aux canalisations 4 d'arrivée en passant par la canalisation 2 centrale.
L'eau chaude pénètre dans la canalisation 2 centrale qui est montée en rotation autour de l'axe 3 de rotation par rapport à l'enceinte 1 , et plus précisément, par rapport aux parois de l'enceinte 1.
Un joint tournant d'étanchéité 14 permet d'assurer l'étanchéité entre la canalisation 12 d'entrée et la canalisation 2 centrale tout en autorisant leur rotation relative.
Des paliers 15 équipés des moyens nécessaires, tels que roulements, butées, etc. permettent de maintenir la canalisation 2 centrale sensiblement parallèle à et alignés sur l'axe 3 de rotation. Les canalisations 2, 4, 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 comprend au moins un ensemble 30 générateur et accélérateur de brouillard, fixé rigidement à l'extrémité libre d'une canalisation 4 d'arrivée, permettant de générer et d'accélérer un brouillard de gouttelettes d'eau dans leur propre vapeur, à l'intérieur de l'enceinte 1.
L'ensemble 30 générateur et accélérateur de brouillard comprend un récepteur 5, par lequel l'eau chaude arrive depuis la canalisation 4 d'arrivée, suivi d'un générateur 6 de brouillard, lu i- même suivi par une tuyère 7.
Selon le premier mode de réalisation, chaque canalisation 4 d'arrivée est munie à son extrémité libre d'un ensemble 30 générateur et accélérateur de brouillard.
Ainsi, l'ensemble formé par la canalisation 2 centrale, les canalisations 4 d'arrivée et les ensembles 30 générateurs et accélérateur de brouillard est dit tournant car pivotant autour de l'axe 3 de rotation par rapport à l'enceinte 1. La rotation de l'ensemble tournant est représentée par la flèche 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 de la tuyère 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 4 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, et de manière générale au moins à la tuyère 7. 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 1 autour de l'axe 3 de rotation. Eventuellement, le dispositif de roulage est rétractable.
L'eau chaude sous pression est reçue en extrémité de chaque conduite 4 d'arrivée dans le récepteur 5 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 le générateur 6 de brouillard .
Le générateur 6 de brouillard peut être dans un premier exemple composé d'une plaque métallique mince correctement soutenue et percée d'une multitude de trous de forme adaptée à la création de jets avec un minimum de perte de charge, ces jets se fractionnant rapidement à la sortie de la plaque en microgouttelettes.
A titre d'exemple, la plaque du générateur 6 de brouillard peut être en acier inox, de 0,4 mm d'épaisseur et percée d'une multitude de trous de forme conique avec un diamètre de 0,2 mm du coté entrant et 0, 1 mm du coté sortant, espacés suivant une maille carrée de 2 mm de coté. Une telle plaque permet de former des jets circulaires d'un diamètre de 0,1 mm se fractionnant rapidement en microgouttelettes d'environ 0,2mm de diamètre. Ces chiffres ne sont bien sûr donnés qu'à titre indicatif et peuvent varier largement suivant les modes de réalisation et d'opération.
Les jets liquides à leur sortie du générateur 6 de brouillard possèdent une vitesse relative initiale dans l'enceinte 1 sensiblement équivalente en module à la vitesse du récepteur 5 due à la rotation de l'ensemble tournant. Compte tenu des conditions de pression, proche de la pression de saturation, en sortie du générateur 6 de brouillard, une partie de l'eau se transforme quasi- instantanément en vapeur en prenant l'énergie nécessaire à la vaporisation dans la chaleur sensible contenue dans la phase liquide qui se refroidit (évaporation flash). La vitesse d'éjection des jets du générateur 6 de brouillard, leur diamètre et leur espacement détermine les conditions de cette évaporation flash initiale.
Il est donc obtenu, quasiment immédiatement en sortie du générateur 6 de brouillard, dans la tuyère 7, un brouillard 8 de gouttelettes d'eau liquide dispersées dans la vapeur générée par leur propre évaporation partielle.
Suivant les conditions, la masse de vapeur produite au cours de cette évaporation flash initiale peut atteindre 1 ,4% en poids de la masse liquide avec une densité volumique d'environ 70m3 par kg pour la phase vapeur. Le générateur 6 de brouillard, en permettant la formation de micro-jets se fractionnant en microgouttelettes, est bien adapté pour permettre de traiter de très grands débits de fluide chaud, une très grande surface de contact entre vapeur et liquide ainsi qu'une très petite taille de gouttelettes permettant des échanges de chaleur rapides entre vapeur et liquide et à l'intérieur même du liquide. L'évaporation flash est ainsi plus rapide et plus efficace.
Peu après la sortie du générateur de brouillard 6 les jets se brisent en milliards de microgouttelettes de l'ordre de 0,2mm de diamètre dans l'exemple précédent, séparées les unes des autres d'une distance de l'ordre de 10 fois leur diamètre et baignant dans une phase vapeur de densité très faible. A noter que la phase vapeur et la phase liquide ont des vitesses initiales équivalentes.
L'ensemble est ensuite guidé dans une tuyère 7, dont la forme adaptée permet d'obtenir la détente de la vapeur jusqu'à la pression régnant à l'intérieur de l'enceinte de l'ordre de 0,013 bars. Chaque tuyère 7 est orientée orthogonalement à l'axe 3 de rotation sur l'extrémité libre de la canalisation 4 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 générateur 6 de brouillard représentée par les flèches 9, dont la direction orthogonale est approximativement opposée à la composante 1 1 orthogonale de la vitesse 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.
Une différence de vitesses, appelée vitesse de glissement, s'établit entre la vitesse des gouttelettes et la vitesse de la vapeur, induisant des forces de frottement et de viscosité entre gouttelettes et vapeur, dans la tuyère 7. 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 tuyères 7, 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 un dispositif à réaction tel que décrit, il est nécessaire que la vitesse du fluide en sortie de la tuyère 7 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 présenté peut être supérieure à 75% suivant les conditions.
A la sortie des tuyères 7, les phases vapeur et liquide se séparent, le flux 28 de vapeur étant aspiré par la dépression régnant au niveau de moyens 16 de condensation à l'intérieur de l'enceinte 1 , du fait d'une pompe 19 à vide placée en aval des moyens 16 de condensation par rapport à la circulation de la vapeur à l'intérieur de l'enceinte 1. La pompe 19 à vide permet par ailleurs de maintenir le vide partiel à l'intérieur de l'enceinte 1 tout en évacuant les gaz non condensables et la partie de vapeur qui ne se serait pas condensée (flèche 26).
Ces moyens de condensation 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. Dans la configuration du premier mode de réalisation présenté en figure 5 et 6, les moyens 16 de condensation comprennent un ensemble de canalisations 17 permettant d'amener de l'eau froide 27 à l'intérieur de l'enceinte 1 et un système 18 de pulvérisation de l'eau froide sur la vapeur permettant sa condensation.
Le système de pulvérisation 18 peut être une combinaison de différents systèmes à courants croisés, contre courants, etc ..
Les moyens 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 en figure 5 et 6, un récupérateur 20 permet de récupérer ensemble l'eau froide et la vapeur condensée et une pompe 21 permet de les évacuer à l'extérieur de l'enceinte 1 (flèche 25). De même, un récupérateur 22 permet de récupérer l'eau chaude et une pompe 23 permet de l'évacuer à l'extérieur de l'enceinte.
Dans cette configuration, a également été représenté un générateur 31 permettant de transformer l'énergie mécanique de rotation de l'ensemble tournant en énergie électrique. Il s'agit d'un alternateur 31 linéaire rotatif directement couplé sur la partie supérieure de la canalisation 2 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 boite de réduction et semble intéressant compte tenu des vitesses de rotation envisagées. Cet alternateur 31 peut bien sur être installé à l'intérieur de l'enceinte 1 ou à l'extérieur de celle ci à la condition de prolonger la canalisation 2 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 33 hydroélectrique.
Par exemple, le groupe 33 hydroélectrique peut être inséré dans la conduite 2 centrale de fluide chaud lorsque celui-ci arrive sous pression comme illustré sur la figure 8. En variante, plusieurs groupes hydroélectriques peuvent être insérés dans chacune des conduites 4 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 4 d'arrivée, un système de transmission permettant de ramener l'ensemble de l'énergie mécanique collectée vers une génératrice unique.
Il est également envisageable de fixer un ensemble 30 générateur et accélérateur de brouillard à plusieurs conduites 4 d'arrivée.
La figure 7 représente une vue schématique de l'ensemble tournant et notamment de ses éléments 4, 5, 6 et 7.
II est très important pour l'efficacité du dispositif de minimiser les pertes de charge dans les canalisations 4 d'arrivée et le récepteur 5. Les formes et les sections adaptées à cet impératif seront donc choisies pour ces éléments.
De la même façon, le générateur 6 de brouillard devra présenter une perte de charge minimum. La forme des trous, leur diamètre, leur espacement, le matériau constituant le générateur de brouillard seront adaptés également à cet impératif.
La formation d'une multitude de micro-jets en sortie du générateur 6 de brouillard permet de créer le brouillard dans lequel la phase continue est la vapeur 8 et la phase dispersée les gouttelettes.
Cette multitude de gouttelettes présente une surface de contact avec la vapeur très favorable aux échanges thermiques.
La tuyère 7 sera le plus souvent de forme divergente permettant aux gouttelettes dans leur trajectoire rectiligne de ne pas heurter les parois.
Un angle A entre la vitesse 1 1 orthogonale due à la rotation de l'ensemble tournant et la vitesse 9 d'éjection du fluide en sortie du générateur 6 de brouillard a été représenté sur la figure 7. Il est en effet nécessaire d'éviter que les gouttelettes liquides, après leur éjection de la tuyère 7, viennent percuter le récepteur 5 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 5 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 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 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.
Les débits sont de 10m3/s pour l'eau chaude et l'eau froide.
Le dispositif a un rayon de l'ensemble tournant de 20m pour une vitesse de rotation de 3rd/s (radians par seconde).
La vitesse périphérique due à la rotation est de 60m/s.
En prenant en compte une géométrie optimisée, la pression de l'eau chaude due à la rotation est de 17,9 bars dans le récepteur 5 entraînant une vitesse 9 d'éjection de 59,9m/s à la sortie du générateur de brouillard 6 en tenant compte des pertes de charge à travers ce générateur de brouillard et du fait que la pression à la sortie de ce générateur de brouillard est très inférieure à la pression atmosphérique. Comme on peut le constater, la vitesse 9 d'éjection est très proche de la vitesse périphérique.
Pour un diamètre de gouttes de 0,2mm correspondant à des trous 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 goutte sont 10 fois supérieures au poids de chaque gouttelettes permettant une accélération de près de 230m/s2 des gouttelettes.
Une tuyère d'environ 4m de longueur permettrait alors d'obtenir en sortie une vitesse moyenne des gouttelettes de 74 m/s pour une vitesse de la vapeur de 168 m/s.
Dans ces conditions, environ 85% de la perte d'enthalpie de la vapeur a été communiquée aux gouttes sous forme d'énergie cinétique.
L'efficacité brute du dispositif en sortie de tuyère 7 s'établit à 83% permettant une efficacité nette de 62% en tenant compte des consommations des dispositifs de pompage des fluides et de maintien du vide.
La puissance mécanique restituée est de 7000 KW.
Tout d'abord, on peut constater que la vitesse de sortie des gouttelettes, qui représente 98% de la masse éjectée, est très proche de la vitesse périphérique, ce qui permet l'excellente efficacité du dispositif. Un dispositif classique 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 présenté 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 générateur 6 de brouillard restent cependant suffisamment élevées (environ 60m/s) pour permettre des sections du générateur 6 de brouillard modérées.
Le dispositif selon l'invention permet de choisir la vitesse de rotation et le rayon de l'ensemble tournant ainsi que les dimensions des gouttes produites et la longueur de la tuyère 7 permettant de trouver le meilleur compromis entre les contraintes suivantes :
vitesses de sortie du générateur de brouillard 6 et des tuyères 7 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 proposé est très limitée, limitant les nombres de collision entre gouttes et avec les parois, source de pertes d'énergie importante, contrairement aux dispositifs proposant une élévation verticale de la phase liquide nécessitant des parcours de prés de 100m.
II 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.
En variante, et dans un deuxième exemple, le générateur 6 de brouillard peut comprendre une multitude de buses diphasiques, de l'ordre de plusieurs milliers, chacune comportant au moins un convergent correspondant à un trou du générateur 6 de brouillard sous forme de plaque, précédemment présenté, un col et un divergent dans lequel a lieu une détente diphasique au moins partielle. Les buses diphasiques sont accolées les unes aux autres et arrangées de façon à ce qu'il y ait le minimum de discontinuité entre la somme des sections de sortie des buses diphasiques et la section immédiatement en aval. Les buses diphasiques peuvent être prolongées ou non d'une tuyère de détente complémentaire, par exemple la tuyère 7 précédemment présentée, commune à l'ensemble des buses diphasiques, lorsque la totalité de la détente n'a pas été réalisée dans la multitude de buses diphasiques.
La figure 9 représente un deuxième mode de réalisation vue en coupe de dessus du dispositif proposé par la présente invention. Elle est complétée par la figure 10 qui représente ce même dispositif vue en coupe de coté. Les dessins sont purement schématiques et ont pour fonction d'aider à la compréhension du dispositif.
Dans cette configuration, contrairement à la configuration selon la revendication 2 présentée dans les figures 5, 6 et 7, le distributeur 50 dont font partie les canalisations 2 et 4 est fixe par rapport à l'enceinte 1 .
L'eau chaude est admise dans la canalisation 2 centrale fixe qui la distribue dans les canalisations 4 d'arrivée fixes par rapport à l'enceinte 1 également. Ces canalisations 4 d'arrivée acheminent l'eau vers la périphérie jusqu'à un récepteur 5.
Dans le deuxième mode de réalisation, le récepteur 5 a une forme annulaire cylindrique d'axe 3 et permet de distribuer l'eau chaude sur toute la périphérie au générateur de brouillard 6. Ainsi, le récepteur 5 et le générateur 6 de brouillard selon le deuxième mode de réalisation sont communs à l'ensemble des canalisation 4 d'arrivée, et sont fixés rigidement aux canalisations 4 d'arrivée.
Sous l'effet de la pression initiale du fluide chaud, le générateur 6 de brouillard permet de générer un brouillard 8 de gouttelettes, dispersées dans leur propre vapeur et animées d'une vitesse initiale 9 possédant une composante centrifuge, c'est-à-dire radiale vers la périphérie de l'enceinte 1.
Sous l'effet de cette vitesse centrifuge, les gouttelettes s'éloignent de l'axe 3 de rotation.
L'ensemble tournant autour de l'axe 3 de rotation comprend des cloisons 91 parallèles à l'axe 3 s'éloignant progressivement de celui ci en formant une portion de spirale et solidaires de deux plateaux supérieur et inférieur 92, s'étendant transversalement. La combinaison de deux cloisons 91 forme une tuyère 7.
Selon l'exemple illustré sur la figure 9, le dispositif comprend deux tuyères 7, chacune étant définie entre deux cloisons 91 en spirale. Le nombre de cloisons 91 détermine le nombre de tuyères 7 portées par l'ensemble tournant.
L'ensemble tournant est muni de joints d'étanchéité 14 et des paliers 15 sur la canalisation 2 centrale nécessaires à sa rotation.
Lorsque cet ensemble tournant tourne autour de l'axe 3 de rotation dans le sens indiqué par la flèche 1 1 , les gouttelettes éjectées du générateur 6 de brouillard se déplacent vers la périphérie de l'enceinte 1.
La vitesse radiale centrifuge des gouttelettes, la vitesse de rotation de l'ensemble tournant et la forme de la spirale des tuyères 7 sont déterminées de façon à ce que le brouillard 8 de gouttelettes remplisse l'espace entre le générateur 6 de brouillard et cloisons 91 des tuyères 7 sans atteindre celles ci.
Au cours de la rotation de l'ensemble tournant, les gouttelettes et leur vapeur pénètrent dans la tuyère 7 où elles se détendent.
Comme dans le dispositif de la figure 5 décrit précédemment, les gouttelettes sont alors accélérées par la vapeur qui se détend jusqu'à la sortie de la tuyère 7. La flèche 90 représente la vitesse relative par rapport à l'ensemble tournant 30 des gouttes en sortie de tuyère. Le fluide accéléré sortant de la tuyère crée par réaction une poussée qui entraîne l'ensemble tournant en rotation.
Les moyens permettant la condensation de la vapeur, le maintien du vide dans l'enceinte 1 et l'évacuation des fluides sont similaires à ceux de la configuration présentée en figure 5 et 6, et sont représentés sur la figure 10 en reprenant les mêmes références.
Un générateur 31 tel qu'un alternateur linéaire rotatif entraîné en rotation par l'ensemble tournant permet de transformer l'énergie mécanique des tuyères 7 en rotation dans "enceinte 1
Tout comme dans la configuration représentée à la figure 8, le dispositif peut avoir plusieurs niveaux d'ensembles 4, 5, 6, 91 , 92 et 7 le long de l'axe 3.
La figure 1 1 représente un troisième mode de réalisation vu en coupe de dessus du dispositif selon l'invention. Les dessins sont purement schématiques et ont pour fonction d'aider à la compréhension du dispositif.
Dans cette configuration, le distributeur 50 fixe, non représenté, permet d'amener l'eau chaude jusqu'à un récepteur 5.
Dans l'exemple présenté, le récepteur 5 a une forme annulaire cylindrique d'axe 3 et permet de distribuer l'eau chaude sur toute la périphérie d'un générateur 6 de brouillard, situé en périphérie de l'ensemble tournant. L'ensemble tournant comprend, de manière similaire à l'ensemble tournant du deuxième mode de réalisation, des tuyères 7, en l'occurrence deux tuyères 7 dans l'exemple illustré, chaque tuyère 7 étant formée par deux cloisons 91 parallèles à l'axe 3 de rotation, se rapprochant progressivement de celui-ci en formant une portion de spirale et solidaires de deux plateaux supérieur et inférieur 92.
Sous l'effet de la pression initiale du fluide chaud, le générateur 6 de brouillard permet de générer un brouillard de gouttelettes, dispersées dans leur propre vapeur et animées d'une vitesse initiale 90 possédant une composante radiale centripète, c'est-à-dire vers l'axe 3 de rotation.
Sous l'effet de cette vitesse, les gouttelettes se rapprochent de l'axe 3.
L'ensemble tournant 30 autour de l'axe 3 est composé de cloisons 91.
Le nombre de cloisons 91 détermine le nombre de tuyères 7 portées par l'ensemble tournant
30.
Lorsque cet ensemble tournant tourne autour de l'axe 3 de rotation dans l'enceinte 1 , dans la direction indiquée par la flèche 1 1 , les gouttelettes éjectées du dispositif 6 se déplacent vers l'axe 3 de rotation.
La vitesse radiale centripète des gouttelettes, la vitesse de rotation de l'ensemble tournant et la forme de la spirale sont déterminées de façon à ce que le brouillard de gouttelettes remplisse l'espace entre le générateur 6 de brouillard et les cloisons 91 des tuyères 7 sans atteindre celles ci.
Au cours de la rotation de l'ensemble tournant, les gouttelettes et leur vapeur pénètrent dans la tuyère 7 où elles se détendent.
Comme dans le dispositif de la figure 5 décrit précédemment, les gouttelettes sont alors accélérées par la vapeur qui se détend jusqu'à la sortie de la tuyère 7. La flèche 90 représente la vitesse relative par rapport à l'ensemble tournant 30 des gouttes dans la tuyère. Le fluide accéléré sortant de la tuyère crée par réaction une poussée qui entraîne l'ensemble tournant en rotation.
Les moyens permettant la condensation de la vapeur, le maintien du vide dans l'enceinte 1 et l'évacuation des fluides sont disposés de façon à permettre la condensation de la vapeur sortant des tuyères 7, le maintien du vide après condensation de la vapeur et l'évacuation des fluides chaud et froid. Ils peuvent être disposés à l'intérieur de l'ensemble tournant ou à l'extérieur de celui ci, des canalisations permettant le transport des différents fluides.
Tout comme dans la configuration représentée à la figure 8, le dispositif peut avoir plusieurs niveaux d'ensembles 4, 5, 6, 91 , 92 et 7 le long de l'axe 3.
La figure 12 représente un quatrième mode de réalisation vue en coupe de coté du dispositif selon l'invention.
Dans cette configuration, à la différence de la configuration du premier mode de réalisation présenté dans les figures 5, 6 et 7, le distributeur 50 dont font partie les canalisations 2 centrale et 4 d'arrivée est fixe par rapport à l'enceinte 1.
L'eau chaude est admise dans la canalisation 2 centrale fixe qui la distribue dans les canalisations 4 d'arrivée fixes. Ces canalisations 4 d'arrivée acheminent l'eau vers la périphérie chacune jusqu'à un récepteur 5 commun, fixé aux canalisations 4 d'arrivée.
Dans l'exemple présenté, le récepteur 5 a une forme annulaire cylindrique d'axe 3 de rotation et permet de distribuer l'eau chaude sur sa surface inférieure à un générateur de brouillard 6.
Celui ci sous l'effet de la pression initiale du fluide chaud permet de générer un brouillard de gouttelettes, dispersées dans leur propre vapeur, le brouillard étant animé d'une vitesse initiale 9 en sortie du générateur 6 de brouillard possédant une composante axiale descendante.
Sous l'effet de cette vitesse axiale, les gouttelettes s'éloignent du récepteur 5.
L'ensemble tournant autour de l'axe 3 comprend un moyeu central cylindrique prolongé par un ensemble de tuyères 7 formées par un ensemble de pales radiales.
L'ensemble tournant est muni de joints d'étanchéité et des paliers 15 sur la canalisation 2 centrale nécessaires à sa rotation.
Lorsque cet ensemble tourne autour de l'axe 3 dans le sens indiqué par les flèches 1 1 , les gouttelettes éjectées du dispositif 6 se déplacent vers le bas.
La vitesse axiale des gouttelettes, la vitesse de rotation de l'ensemble tournant et la forme des tuyères sont déterminées de façon à ce que le brouillard de gouttelettes s'écoule à travers les tuyères 7 sans toucher leur cloisons.
Au cours de la rotation de l'ensemble tournant, les gouttelettes et leur vapeur pénètrent dans les tuyères 7 où elles se détendent.
Comme dans le dispositif de la figure 5 décrit précédemment, les gouttelettes sont alors accélérées par la vapeur qui se détend jusqu'à la sortie des tuyères.
Le fluide accéléré sortant des tuyères 7 crée par réaction une poussée transversale à l'axe 3 de rotation qui entraîne l'ensemble tournant en rotation. Les moyens permettant la condensation de la vapeur, le maintien du vide dans l'enceinte et l'évacuation des fluides sont les mêmes que ceux de la configuration du premier mode de réalisation présentée en figure 5 et 6.
Le générateur 31 permettant de transformer l'énergie mécanique en énergie électrique représenté est un alternateur linéaire rotatif entraîné en rotation par l'ensemble tournant.
Tout comme dans la configuration représentée à la figure 8, le dispositif peut avoir plusieurs niveaux d'ensembles 4, 5, 6 et 30 le long de l'axe 3.
Le dispositif 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 et à la géothermie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud provenant d'une source chaude et un fluide froid provenant d'une source froide, le fluide chaud étant à une température supérieure à celle du fluide froid, le dispositif comprenant au moins une enceinte (1 ) résistant à la pression extérieure définissant un milieu intérieur, le dispositif comprenant en outre, à l'intérieur de la au moins une enceinte (1 ), au moins :
un distributeur (50) en rotation ou non autour d'un axe (3) de rotation dans l'enceinte (1 ), comprenant une entrée destinée à être en connexion fluidique avec la source chaude à l'extérieur de l'enceinte (1 ) ;
un ensemble (30) générateur et accélérateur de brouillard à l'intérieur de l'enceinte (1 ), le brouillard comprenant un mélange de gouttelettes et de vapeur, l'ensemble (30) générateur et accélérateur de brouillard étant alimenté en fluide chaud par le distributeur (50),
des moyens (16) de condensation, aptes à être en connexion fluidique avec la source froide, permettant la condensation par refroidissement au moyen du fluide de la source froide de la vapeur produite à l'intérieur de l'enceinte ;
des moyens d'évacuation des fluides hors de l'enceinte (1 ) ;
le dispositif étant caractérisé en ce que l'ensemble (30) générateur et accélérateur de brouillard comprend au moins :
- un générateur (6) de brouillard, en connexion fluidique avec le distributeur (50) permettant de générer un brouillard de gouttelettes de fluide chaud animées d'une vitesse initiale et dispersées dans la vapeur formée par leur propre évaporation partielle ;
une tuyère (7) montée en rotation autour de l'axe (3) de rotation par rapport à l'enceinte (1 ) permettant de détendre et de guider à l'intérieur de l'enceinte (1 ) le brouillard de gouttelettes et de vapeur générées par le générateur de brouillard (6), la au moins une tuyère (7) s'étendant au moins partiellement dans une direction transversale à l'axe (3) de rotation de sorte que le flux de brouillard entraîne par réaction la rotation de la tuyère (7) autour de l'axe (3) de rotation.
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le au moins un distributeur (50) et le au moins un générateur (6) de brouillard sont fixés rigidement à la au moins une tuyère (7), en rotation autour de l'axe (3) de rotation, la au moins une tuyère (7) étant dans le prolongement du au moins un générateur (6) de brouillard, le au moins un générateur (6) de brouillard étant orienté par rapport à l'axe (3) de rotation de telle manière que la vitesse initiale relative par rapport au générateur (6) de brouillard des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard (6) comprend une composante transversale à l'axe (3) de rotation qui est sensiblement opposée à la composante orthogonale de la vitesse de rotation de la au moins une tuyère (7) autour de l'axe (3) de rotation.
3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le au moins un distributeur (50) est fixe par rapport à l'enceinte (1 ), la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard (6) possédant une composante radiale centrifuge et la au moins une tuyère (7) en rotation autour de l'axe (3) est positionnée en périphérie du au moins un générateurs de brouillard (6).
4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le au moins distributeur (50) est fixe dans l'enceinte (1 ), la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard (6) possédant une composante radiale centripète et la au moins une tuyère (7) en rotation autour de l'axe (3) est positionnée plus près de l'axe (3) que le ou les générateurs de brouillard (6).
5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le ou les distributeurs (50) sont fixes dans l'enceinte (1 ), la vitesse initiale des gouttelettes générées par le au moins un générateur de brouillard (6) possédant une composante axiale parallèle à l'axe (3) de rotation et la au moins une tuyère (7) en rotation autour de l'axe (3) étant positionnée en décalage axial par rapport à l'au moins un générateur de brouillard (6).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'axe de rotation (3) est vertical.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le au moins un générateur de brouillard (6) comprend au moins une plaque percée d'une multitude de trous de forme, de dimensions et d'espacement spécialement optimisés pour produire un brouillard de gouttelettes.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le au moins un générateur de brouillard (6) comprend au moins une multitude de buses diphasiques, chaque buse diphasique comportant au moins un convergent, un col et un divergent, les buses diphasiques étant accolées les unes aux autres.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les fluides de la source chaude et de la source froide sont de l'eau.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source chaude est l'eau de surface et la source froide l'eau des profondeurs d'un océan.
1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un générateur (31 , 33) permettant de transformer l'énergie mécanique générée par la rotation de la au moins une tuyère (7) en énergie électrique.
12. Dispositif selon la revendication 1 1 caractérisé en ce que le générateur (31 , 33) est un générateur électrique couplé directement ou par l'intermédiaire d'une boite de réduction à l'axe (3) de rotation de la au moins une tuyère (7).
13. Dispositif selon la revendication 1 1 caractérisé en ce que le générateur (31 , 33) comprend un ou des groupes hydroélectriques permettant de transformer tout ou partie de l'énergie de pression du fluide chaud dans le distributeur (50) en énergie électrique.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens (16) de condensation utilisent la condensation par contact direct entre de la vapeur à condenser et le fluide de la source froide.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que les moyens (16) de condensation utilisent la condensation au moins en partie sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide provenant de la source froide.
16. Dispositif selon la revendication 14 caractérisé en ce qu'il comprend au moins un récupérateur (35) permettant la récupération de l'eau douce provenant de la condensation de la vapeur sans contact direct entre la vapeur à condenser et le fluide de la source froide.
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif de roulage permettant de supporter en tout ou partie le poids de la au moins une tuyère (7).
18. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'au moins un générateur de brouillard (6) est muni d'un dispositif de nettoyage (96) permettant d'éliminer le biofouling.
19. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de flottaison.
20. Installation de conversion en énergie mécanique de l'énergie thermique contenue dans un fluide chaud provenant d'une source chaude et un fluide froid provenant d'une source froide, l'installation comprenant au moins un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le dispositif étant en connexion fluidique d'une part avec la source chaude et d'autre part avec la source froide.
21. Installation selon la revendication 20, dans laquelle l'axe (3) de rotation est vertical.
22. Installation selon la revendication 20 ou la revendication 21 , dans laquelle le fluide chaud et le fluide froid sont de l'eau.
23. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la source d'eau chaude est de l'eau d'un océan à une première profondeur sous la surface et la source d'eau froide est de l'eau de l'océan à une deuxième profondeur sous la surface supérieure à la première profondeur.
24. Installation selon l'une quelconque des revendications 21 à 23, dans laquelle la au moins une enceinte est flottante sur un océan ou maintenue immergée à une profondeur déterminée dans un océan pour s'affranchir des effets de la houle.
25. Installation selon l'une quelconque des revendications 21 à 24, dans laquelle la au moins une enceinte repose sur terre ou sur le fond d'une surface d'eau.
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