Brevet FR2144798A1 — publié le 19730216

La présente invention est relative à une installation pour favoriser la circulation dans les étendues d'eaux de manière à en diminuer la stratification qui résulte de phénomènes thermiques. On sait que dans de grandes étendues d'eaux dormantes, l'eau se divise en couches suivant sa température et sa densité,et et qu'il en résulte que les couches inférieures tendent à rester immobil et consomment tout l'oxygène dissout qu'elles peuvent contenir. Elles ne peuvent alors servir de support pour la vie aquatique. Les couches inférieures sort en fait polluées et cette pollution peut et souvent rend toute l'étendue d'eau inapte à fournir de l'eau potable, à la baignade et au maintien de l'environnement. Si liteau est maintenue èn circulation constante, ces difficultés ne se produisent pas et, en fait, la mise en circulation de l'eau est l'une des meilleures méthodes pour obtenir des niveaux d'oxygène dissous adéquats à toutes les profondeurs. L'invention a pour objet une installation pour favoriser la circulation dans les étendues d'eau qui comprend un tube cylindrique de grand diamètre ancré par l'une de ses extrémité au lit de l'étendue d'eau, des bouées étant prévues à l'extrémité opposée du tube de sorte que celui-ci tend à prendre une position généralement verticale, l'ancre étant telle que l'extrémité inférieure du tube est maintenue à distance du lit de l'étendue d'eau, l'extrémité supérieure du tube étant à une distance de la surface de étendue d'eau aussi faible que cela est compatible avec un écoulement sans obstruction de l'eau entratnée vers le haut dans le tube, des moyens étant en outre prévus pour fournir un courant de petites bulles d'air ayant chacune un diamètre n' excédant pas 15 mm environ, à l'intérieur du tube. De préférence,l'extrémité supérieure du tube est à une distance de la surface de l'étendue d'eau qui est comprise entre le quart et la moitié du diamètre du tube. On est ainsi assuré que l'énergie des bulles est utilisée au mieux pour favoriser l'élévation de l'eau dans le tube. L'eau qui sort au sommet de celui-ci en dessous de la surface s'écoule vers l'extérieur radialement dans une direction généralement horizontale et a la propriété d'un jet quLasssifkile adjacent . En conséquence, le courant d'eau relativement froide sortant de l'extrémité supérieure du tube provoque une augmentation du courant d'eau qui se meut à une vitesse assez lenteetçi s'étend largement. Ceci sert à répartir l'eau froide provenant du fond du tube sur une région large de l'eau en surface. L'élévation fournie par l'air transporte donc de l'eau provenant du fond vers la surface, l'énergie requise à cet effet n'est en fait pas supérieure à celle nécessaire pour donner un mouvement d'accélération à l'eau du fond, compenser les pertes par frottement et surmonter les différences de masse volumique entre l'eau de la surface et l'eau du fond qui peuvent exister de temps à autre. Suivant un mode de réalisation de l'invention, l'installation consiste en un tube de diamètre approprié construit en un matériau flottant, ou, en variante en un matériau non flottant muni de flotteurs. Dans tous les cas, le tube flotte. Il est relié par l'une de ses extrémités à une ancre reposant sur le fond de l'étendue d'eau de sorte qu'il prend naturellement la position verticale. La liaison entre le tube et l'ancre est telle qu'elle ménage un espace pour la prise de l'eau au voisinage du fond. L'extrémité supérieure du tube s'étend1 lorsque celui-ci flotte, vers la surface de l'eau. La force motrice est fournie par de l'air comprimé, transmis au tube par un conduit immergé. Mais, tandis que dans une pompe à air comprimé classique, l'air comprimé est introduit au bas du tube, de préférence, suivant l'invention, l'air est introduit dans le tube aussi près que possible de son extrémité supérieure compte tenu de la quantité d'eau qui doit sortir du tube. C'est ainsi que le niveau de l'injection de bulles d'air dans le tube ne sera pas distant de plus de 45 mètres de la surface. L'air comprimé est fourni sous une pression juste supérieure à la pression hydrostatique au point d'injection choisi et ainsi une quantité donnée d'air libre donne un déplacement maximum de l'eau dans le tube. Ceci conduit à une différence de masse volumique maximum entre la colonne d'air et d'eau dans le tube et l'eau environnante, et donc à une plus grande sortie d'eau pour une consommation donnée d'énergie au couspresseur. Une autre économie résulte de ce procédé. En eau profonde, une proportion importante de l'air comprimé se dissout et est ainsi perdue en tant que milieu de déplacement. En outre, il se produit un retard dans l'écoulement des gaz provenant d'un fluide supersaturé. Ceci signifie qu'il y a une perte nette de gaz et donc de déplacement, si le gaz (l'air dans ce cas) est envoyé dans l'eau à la profondeur maximale. Dans un autre mode de réalisation,le tube comprend deux sections concentriques, une section inférieure fixe et une section supérieure mobile. La section inférieure fixe flotte d'elle-m8me éventuellement à l'aide de bouées et est ancrée au fond. La section supérieure mobile est un tube dont le diamètre externe est inférieur au diamètre interne de la section inférieure. L'extrémité inférieure de la section supérieure mobile est disposée en permanence dans la section inférieure mais est libre de se mouvoir verticalement à l'intérieur de celle-ci. L'extrémité supérieure de la section supérieure est reliée à un flotteur. La section supérieure est alimentée en air par des conduits flexibles à une distance donnée de son extrémité supérieure. Les avantages de cette installation tiennent en ce que la longueur efficace du tube en deux parties est ajustée automatiquement à la profondeur de l'eau. I1 s'ensuit que l'air est fourni sous une pression constante, quelle que soient les variations de profondeur de l'eau. Ceci diminue le plus possible la surveillance du compresseur et assure une consommation de puissance constante. La fonction des bulles d'air injectéeS est simplement de déplacer un volume simikire d'eau dans le tube de sorte que la masse volumique de la colonne qu'il contient devient plus petite que celle de l'eau environnante. I1 s'ensuit que le mélange d'eau et d'air dans le tube s'élève. Les bulles s'élèvent également dans la colonne d'eau montante. Ceci n'est pas souhaitable, mais on peut y remédier en faisant en sorte que les bulles soient aussi petites que possible. C'est là une différence marquée avec les pompes à air comprimé qui utilisent des bulles importantes. En théorie, il n'y a pas de différences entre un grand volume d'air opérant sur une faible distance ou un petit volume d'air opérant sur une distance proportionnellement plus grande. Pour autant que le produit du volume d'air (force) par la distance (à partir du point d'échappement vers la surface) reste constant, la quantité d'eau qui sort reste la m8me,du moins en théorie. En pratique cependant, deux facteurs interviennent pour limiter l'efficacité totale. D'abord le court opératoire augmente avec la profondeur. C'est ainst,par exemple,qu'une pompe à air comprimé conçue pour fournir 17 500 m par jour introduira 310 litres par minute à 6 mètres en dessous de la surface ou introduira 110 litres à 30 mètres en dessous de la surface. Dans le premier cas la puissance requise est de 0,27 chevaux vapeur et dans le second cas de 0,41 soit une augmentation de-52%. Ainsi, toutes choses étant égalesd'ailleurs, il vaut mieux injecter l'air près de l'extrémité supérieure du tube. La différence de puissance n1 est pas dueau mode de fonctionnement de la pompe à air comprimé, elle représente la chaleur engendrée et dissipée pour comprimer l'air à une pression plus élevée. Deuxièmement, la dissolution de l'azote et de l'oxygène des bulles dans l'eau a été calculée pour diverses profondeurs Une telle perte nuit au déplacement (force) et croit progressivement avec la profondeur. Elle est par exemple de 2,6% à 80 mètres, de 8,3% à 160 mètres et de 17% à 240 mètres. En outre, si liteau qui se trouve au fond d'un lac manque totalement d'oxygène dissous, et ceci est souvent le èas, tout l'oxygène de l'air se dissoudra, ce qui entraînera une perte de puissance efficace de 20% en plus de la perte due à l'absorption de l'azote. La vitesse d'ascension des bulles dans l'eau entraînée peut être diminuée si leur taille est maintenue en dessous de 13 millimètres de diamètre environ. On y parvient en prévoyant des ajutages de diffusion à travers lesquels l'air est introduit dans le conduit ayant un diamètre inférieur à 3 millimètres environ. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Auxdessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple La figure 1 est une vue en perspective d'une installation suivant l'invention. La figure 2 est une vue semblable à la figure 1 d'un mode de réalisation préféré de l'installation suivant l'invention, et La figure 3 représente une troisième variante. A la figure 1, un tube 1 de grand diamètre, qui peut entre de l'ordre de 1 mètre ou davantage, est ancré par un harnais 2 de toute longueur convenable à un grand socle 3 en béton reposant sur le lit d'un lac > d'un réservoir ou d'une autre étendue d'eau. La moitié supérieure du tube 1 porte des ceintures 4 servant de bouées en nombre suffisant et en taille suffisante pour que le tube prenne de lui-m8me une position verticale. Le tronçon supérieur d'un conduit 5 traverse le tube 1 et comporte des trous ou ajutages 6 d'un diamètre n'excédant pas 3 millimètres. Par ces trous 6 de l'air peut être introduit dans l'eau du tube sous la forme de petites bulles d'un diamètre inférieur à 13 millimètres.Les deux extrémités du conduit 5 sont reliées à un étrier 7 conduisant à un conduit 8 lequel conduit à son tour à une station de pompage à air comprimé (non représentée) qui peut titre placée sur le bord de l'étendue d'eau. Le tube 1 est maintenuipar le harnais 2 à une distance donnée au-dessus du socle et le tube a une longueur telle que son extrémité supérieure se trouve à une profondeur S en dessous de la surface de liteau, cette profondeur étant comprise entre le quart et la moitié du diamètre D de 1 'extrémité supérieure du tube. L'étrier 7 est de préférence souple sur au moins une partie de sa longueur pour permettre à l'ensemble d'osciller sous l'action de tout courant qui peut exister dans l'eau sans interrompe l'alimentation en air ou nuire à celle-ci. Le mélange d'eau et d'air dans le tube a une masse volumique inférieure à celle de l'eau et la pression hydrostatique externe crée ainsi un appel vers le haut dans le tube. L'eau plus froide dense provenant du fond de l'étendue d'eau est ainsi aspirée vers le haut et partiellement aérée avant d'étre refoulée à un niveau juste inférieur à la surface de l'eau. L'installation suivant la figure 1 qui a un tube 1 de longueur fixe convient très bien pour une étendue d'eau ayant une profondeur à peu près constante en tout point auquel l'installation doit être placée. Pour tenir compte des variations saisonnières du niveau de l'eau, le mode de réalisation de la figure 2 prévoit que le-tube 1 de grand diamètre peut être constitué de deux sections, une section inférieure 11, pourvue comme auparavant de ceintures servant de bouées (non représentées) et ancrées par un harnais 2 à un socle 3 en béton et une section supérieure 12 qui peut glisser téléscopiquement dans la section 11.L'extrémité supérieure d'un conduit ayant des trous ou des ajutages 6 pour l'air d'un diamètre n'excédant pas 3 millimètres et porté par la section supérieure 12 du tube, est connectée par des conduits 9 souples à un étrier 7 porté par la surface externe de la section 11 inférieure du tube. Les conduits 9 souples ont une longueur telle qu'ils permettent le déplacement télescopique complet des sections 11 et 12. La section supérieure 12 peut être maintenue par un harnais (non représenté) tel que par exemple un câble, soit au socle soit à la section 11 inférieure de manière à limiter l'étendue du déplacement télescopique, et de sorte que les deux sections ne se désetnhoitent pas en cas de niveau d'eau exceptionnellement élevéRdu par exemple à une inondation.En variante, les conduits 9 souples peuvent être utilisés pour limiter le déplacement télescopique. L'extrémité superieure du tube est maintenues une profondeur S comprise entre le quart et la moitié du diamètre D du tube 1. A l'extrémité supérieure de la section 12 supérieure est attaché un flotteur 13 qui peut être d'un type classique ou peut consister en un disque ayant une surface inférieure concave comme représenté. Dans le mode de réalisation représenté, le flotteur 13 a une dimension telle outil est juste incapable de faire flotter la section supérieure 12. Quand l'alimentation d'air fonctionne, un certaine proportion des bulles d'airformées sont recueillies en dessous de la surface inférieure concave du flotteur et la portance- supplémentaire ainsi fournie est suffisante pour élever la section supérieure du tube à la distance donnée désirée de la surface de l'eau. Celle-ci peut être fixée par la longueur du support 14 reliant le flotteur 13 à l'extrémité supérieure de la section 12. Un trou 15 de vidange est prévu dans la concavité du flotteur 13 de sorte que, lorsque l'alimentation en air par le donduit 5 est fermée, la concavité se vide d'elle méme de l'air quelle contenait et la section 12 glisse vers le bas dans la section 11. I1 n'est pas nécessaire de prévoir un joint étanche entre les sections 11 et 12 et on obtient des résultats satisfaisants si l'intervalle entre la paroi extérieure de la section inférieure et la paroi intérieure de la section extérieure est inférieur à 5% du diamètre du tube. Le conduit 5 de diffusion de l'air est disposé de sorte que,en position opératoire normale,il est aussi près que possible de la surface de l'eau. Il peut être par exemple à 3 mètres de celle-ci ou à une distance inférieure de sorte que la pression requise pour envoyer l'air par pompage dans le conduit 5 et le faire traverser les trous 6 est maintenue à un niveau bas. Le mode de réalisation représenté à la figure 3 est semblable à celui représenté à la figure 2 si ce n'est que le tube 5 d'injection des bulles d'air est disposé dans la section télescopique inférieure du tube 1,Mais en tout cas, l'injection d'air, sous la forme de petites bulles, n'excédant pas 13 millimètres de diamètre s'effectuera à un niveau inférieur de moins de 45 mètres au niveau de la surface. Dans un exemple particulier de l'installatioh suivant l'invention destinée à être utilisée pour une étendue d'eau dans laquelle le niveau de l'eau en un endroit donné varie entre 35 et 20 mètres, on peut suspendre une section de tube supérieure d > un diamètre de 1 mètre de sorte que que,lorsque l'installation eonctionne,son extrémité supérieure soit du tiers à un demi-mètre en dessous de la surface, le conduit comportant les trous d'alimentation en air étant situé à 2 mbtres en dessous de son extrémité supérieure.Cette section supérieure peut avoir une longueur de 18 mètres et coulissera dans une section inférieure du tube ayant undamktre de 1,05 mètre et une longueur de 16 mètres, l'extrémité tournée vers le fond de cette section inférieure étant maintenue à uxe certaine distance du fond pour permettre la prise d'eau sans turbulence ni frottement. Dans le cas décrit cette distance est de 1 mètre environ. Le conduit 5 d'alimentation en air, le conduit 9 souple et l'étrier 7 du système d'alimentation en air peuvent chacun avoir un diamètre de 7,5 centimètres, tandis que le conduit 8 en provenance de la station de pompage peut avoir un diamètre de 10 centimètres. Dans ces conditions, on peut utiliser une pompe à air comprimé de 2 chevaux vapeur et deminpour faire passer 82 000 m3 d'eau chaque jour dans le tube. I1 va de soi qu'on peut utiliser plusieurs installations de ce type dans une grande étendue d'eau et que le diamètre du tube 1 peut titre augmenté jusqu'd 3 mètres ou davantage si on le souhaite. Le tube 1 peut être formé d'une manière convenable par enroulement d'une feuille en matibre plastique ou d'une feuille métallique, un joint étant effectué par soudure ou par sertissage. I1 va de soi qu'il n'est pas nécessaire que l'étier 7 d'alimentation en air soit. porté à l'extérieur du tube 1 mais s'il est monté à l'intérieur et si le tube 1 est en deux sections, la section supérieure doit pouvoir glisser télescopiquement en dehors de la section inférieure. REVENDICATIONS 1. Installation pour favoriser la circulation de l'eau dans les étendues d'eauwcomprenant un tube cylindrique de grand diamètre destiné à être ancré par l'une de ses extrémités au lit d'une étendue d'eau et des bouées associées à llextré- mité opposée du tube de sorte que celui-ci prenne de lui-même une position généralement verticale, l'ancre étant disposée de sorte que l'extrémité inférieure du tube soit maintenue à distance du lit de l'étendue d'eau, des moyens pour fournir un courant de bulles d'air à l'intérieur du tube étant prévus, caractériséeen ce que les bulles d'air introduites dans le tube ont un diamètre n'excédant pas 13 millimètres et l'extrémité supérieure du tube est placée en dessous de la surface de l'étendue d'eau et à une distance de celle-ci qui est comprise entre le quart et la moitié du diamètre de l'extrémité supérieure du tube. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour fournir de l'air comprennent un conduit souple disposé en dessous de la surface de l'étendue d'eau et à une distance non supérieure à 45 mètres environ de celle-ci. 3. Installation suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le courant de bulles d'air est introduit dans le tube dans la région supérieure correspondant au tiers de celui-ci. 4. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le tube de grand diamètre est formé de deux sections coulissant télescopiquement l'une par rapport à l'autre. 5. Installation suivant la revendication 4, caractérisi en ce que le flotteur est associé à l'extrémité supérieure du tube, ce flotteur étant d'une dimension telle qu'il est juste incapable de supporter la section supérieure, le flotteur ayant une surface inférieure concave destinée à emprisonner des bulles provenant en mouvement ascendant du dispositif d'alimentation en air, un trou de vidange étant ménagé dans le flotteur pour permettre à l'air ainsi emprisonné de sléchapper lentement, de sorte que la section supérieure s'élève quand les bulles d'air arrivent et redescend lorsque l'alimentation en air est supprimée. 6. Installation suivant la revendication 4 ou 5 caractérisée en ce que des bulles d'air sont introduites dans la section supérieure du tube. 7. Installation suivant la revendication 6, caractérisée en ce que la section supérieure du tube est plus longue que la section inférieure d'une quantité égale ou supérieure à la distance entre le point d'introduction des bulles de gaz dans la section supérieure du tube et son extrémité supérieure. 8. Installation suivant la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce qu'un raorrd entre des conduits d'alimentation en air montés respectivement sur les sections inférieure et supérieure du tube est formE par un conduit souple ayant une longueur suffisante pour permettre un déplacement télescopique complet des deux section du tube. 9. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les bouées associées à l'extrémité supérieure du tube comprennent un collier de flottaison et des moyens pour limiter le mouvement vers le haut de l'extrémité supérieure du tube sous l'action des forces dues au bouées de sorte que cette extrémité est maintenue à la profondeur requise en~dessous de la surface. 10.Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens pour fournir le courant de bulles au tube inférieur comprennent un tube diffuseur ayant des ajutages par lesquels l'air passe pour former des bulles, les ajutages ayant un diamètre n' excé- dant pas 3 millimètres environ.