Brevet FR2337453A1 — publié le 19770729

La présente invention a trait de façon générale au refroidissement des câbles de transport d'énergie enterrés, et a plus particulièrement pour objet un appareil pour refroidir les câbles de transport d'énergie par évaporation et condensation d'un fluide volatile, suivant un cycle fermé. Dans le cas des câbles de transport d'énergie enterrés, la capacité de transmission d'énergie électrique est limitée par la température maximale à laquelle peut opérer le cable. La température du câble est liée directement à la quantité de chaleur produite par le câble et à la capacité du milieu environnant à dissiper cette chaleur. Quel que soit le procédé d'installation du câble électrique, on s'est toujours servi, jusqu'ici, du sol environnant le câble de transport d'énergie pour dissiper l'énergie calorifique produite.Toutefois, la conductd:vité thermique du sol entant généralement faible et variant avec les conditions climatiques locales et avec l'humidité, on a jusqu'ici été obligé de prévoir un facteur de sécurité élevé dépendant de l'intensite du courant passant dans les câbles de transport d'énergie enterrés. Une intensité de courant plus élevée a été obtenue en utilisant des substances spéciales de remblayage ayant une conductivité thermique amé liorée et un certain pouvoir de rétention pour l'humidité. En utilisant de tels matériaux, on a maintenant presque atteint en pratique la limite des possibilités de dissipation de la chaleur par le sol, bien que la demande en câbles de transport d'énergie supportant des intensités de courant accrues soit en perpétuelle accroissement. On sait que l'on peut refroidir les câbles de transport d'énergie en faisant circuler de l'eau ou de l'huile dans des tuyaux enterrés de façon adjacente le long de ces câbles ou dans des conduits de large diamètre à l'intérieur desquels sont situés ces câbles. L'huile ou l'eau passe alors à travers des échangeurs de chaleur refroidis à l'air ou à l'eau, lesquels sont disposés de façon uniforme le long de la ligne de transmission. L'utilisation d'unités de refroidissement de ce liquide conjointement avec un échangeur de chaleur a également déjà été envisagée.Mais de tels procédés de refroidissement- présentent des inconvénients majeurs, l'extraction d'une quantité appréciable de chaleur requière un fort débit de fluide réfrigérant et partant une installation fort élaborée pour la circulation et le refroidissement de ce liquide. En outre, dans le cas de longs câbles, la température du liquide de refroidissement augmente de façon progressive au fur et à mesure de son avance le long du tuyau, perdant ainsi progressivement de son efficacité en tant qu'agent de refroidissement. La présente invention remédie aux inconvénients inhérents aux systèmes connus de refroidissement des câbles de transport d'énergie enterrés. Elle préconise l'utilisation d'un cycle fermé d'un processus évaporation-condensation qui se veut un moyen efficace d'extraction de la chaleur générée par les câbles de transport d'énergie. Selon la présente invention le liquide-volatile s'évapore au voisinage du câble de transport concerné et la vapeur produite se condense ensuite à l'intérieur d'un échangeur de chaleur, et le liquide condensé retourne alors par gravité au voisinage de ce câble. Ce cycle évaporation-condensation ne requiert pour son achèvement l'apport d'aucune source d'énergie extérieure. L'appareil pour refroidir les câbles de transport d'énergie enterrés selon la présente invention comporte une enceinte fermée contenant un fluide volatile et une couche de matière poreuse définissant en son intérieur un espace pour loger un câble de transport d'énergie. Cette couche est disposée à l'intérieur et tout le long de l'enceinte fermée, et possède une partie su périeure et une partie inférieure, chacune de ces parties s'étendant tout le long de la couche. La partie inférieure fait contact avec le fluide volatile en phase liquide contenu dans l'enceinte fermée alors que la partie supérieure de la couche est espacée du fluide en phasme liquide.L'enceinte fermée est reliée à un échangeur de chaleur fermé et le point de raccord entre l'échangeur et l'enceinte, tout comme l'échangeur de chaleur lui-même, est situé au-dessus du fluide volatile en phase liquide. Ainsi, par action capillaire, on obtient une distribution uniforme du fluide volatile en phase liquide sur la surface de la couche poreuse. Le liquide s'évapore à l'intérieur de l'enceinte sous l'action de la chaleur irradiée par les câbles de transport d'énergie, et le liquide évaporé est transféré de l'enceinte vers l'echan- geur de chaleur en vertu d'une différentieltede pression. Le liquide évaporé se condense dans l'échangeur de chaleur, et revient par gravité vers l'enceinte fermée. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de plusieurs mode de réalisation, avec référence aux dessins dans lesquels - la figure 1 est une vue en perspective du système fonctionnant suivant un cycle fermé évaporatîon-condensation,représenté en sections partielles afin de montrer la disposition intérieure de la partie vaporatoire de l'appareil suivant la présente invention; - la figure 2 est une vue agrandie en coupe verticale de la partie évaporatoire suivant le mode de réalisation de la figure 1 - la figure 3 réprésente schématiquement la partie condenseur de l'appareil, incorporé dans un réverbère ; - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation du condenseur incorporé à un reverbère ;; - la figure 5 est une vue agrandie en coupe horizonatle prise selon la ligne V-V du mode de réalisation de la figure 4 ; - la figure 6 illustre un autre mode de construction du condenseur en forme de réverbère ; - la figure 7 est une vue agrandie en coupe horizontale prise selon la ligne VII-VII du mode de réalisation de la figure 6. Bien que le mode de réalisation décrit ci-dessous soit relative à une ligne de transmission de type "tuyau", la présente invention s' applique également à d'autres types d'installations souterraines de câble de transport d'énergie, tel que par exemple celles comportant des câbles munis d'une gaine. En se référant aux figures 1 et 2, l'appareil selon la présente invention est destiné au refroidissement d'un circuit de transmission de courant haute tension, comprenant les câbles 10 contenant de l'huile sous pression, et logés à l'intérieur d'un conduit longitudinal 12 en acier. De l'huile 14 sous une pression de 200 psig occupe l'espace intermédiaire entre les câbles 10 à l'intérieur du conduit 12. En vue de simplifier le dessin et la description, les points de raccordement des câbles et les terminaux ont été -omis, quoique on peut très bien adapter un système semblable de refroidissement à ces parties du circuit. Dans le cas de circuits électriques tels qu'illustrés aux figures 1 et 2, l'huile 14 qui entoure les câbles 10 est mise en oscillation entre les sous-stations afin d'éviter la production de points chauds le long des câbles. L'oscillation de l'huile constitue en outre, une mesure de sureté du fonctionnement du présent système, ainsi qu'il sera expliqué plus loin. La partie évaporatoire de chaque appareil comporte une chambre fermée 16 qui comprend, comme illustré aux figures 1 et 2, un conduit 18 de section droite circulaire et qui entoure le tuyau 12, en acier. Une plaque circulaire 20 est fixée à chaque extrémité du tuyau 18 soit par soudure ou tout autre moyen approprié. Les plaques circulaires 20 possèdent des ouvertures au travers desquelles passe le tuyau 12 et sont fixées à ce dernier soit par soudure ou tout autre moyen approprie de sorte à former une une enceinte hermétiquement fermée délimitée par le tuyau 12 et l'intérieur du tuyau circulaire 18. Préalablement à la fixation des plaques extrêmes 20 aux tuyaux 12 et 18, on recouvre la surface extérieure du tuyau 12, comprise à l'intérieur de l'enceinte fermée 16, d'une couche 22 faite d'un matériau poreux. La couche poreuse 22 définit en son intérieur un espace 13 apte à recevoir un câble de transport d'énergie et des éléments associés. Dans le mode de réalisation illustré, l'espace 13 loge le tuyau 12, les câbles 10, et de l'huile 14. La couche de matière poreuse 22 possède une partie inférieure 23a en contact avec le liquide volatile 24 et une partie supérieure 23b. Ainsi s'effectue une distribution uniforme du liquide volatile 24 situé au fond de l'enceinte fermée 16 autour de la surface échangeuse de chaleur du tuyau 12? ce qui évite la nécessité d'avoir à immerger l'enceinte fermée 16 comme ce serait le cas autrement.La matière poreuse utilisée est à action hautement capillaire eu égard au liquide volatile particulier utilisé et est en outre chimiquement compatible non seulement avec ce liquide volatile mais aussi avec le métal des tuyaux. Le fibre de verre non traité constitue un matériau poreux particulièrement avantageux puisque chimiquement inerte et de capillarité variable, la trame et l'épaisseur désirés pouvant être obtenus. Bien sûr, d'autres tissus et éléments de fabrication métallique peuvent être utilisés. La partie condenseur de l'appareil comporte un échangeur de chaleur fermé 26 relié à une extrémité de la chambre fermée 16 par tout moyen approprié tel par exemple le raccord flexible 28 représenté à la figure 1. Ce raccord 28 possède des extrémités à rebords larges 30 dont l'extrémité inférieure est fixée de façon détachable à un conduit 32 solidement assujettie à la paroi su périeure de l'enceinte fermée 16. L'extrémité supérieure 30 du raccord flexible 28 est pour sa part reliée à un autre conduit 33 rattaché à l'échangeur de chaleur 26. Cet échangeur 26 est disposé verticalement et au-dessus de la chambre fermée 16, permettant ainsi le retour par simple gravité du liquide volatile, une fois condensé dans l'échangeur 26, vers l'enceinte fermée 16. Afin de favoriser l'écoulement du liquide volatile 24 vers l'ex trémité de l'enceinte 16 opposéeà celle où se situe l'échangeur 26, on incline l'enceinte 26 suivant une pente descendante par rapporta l'échangeur 26. De plus, une meilleure dissipation de chaleur est obtenue lorsque l'échangeur 26 s'élève au-dessus du niveau du sol. En se référant aux figures 3 à 7, on peut incorporer l'echan- geur de chaleur à un lampadaire 40, quoique cette façon de faire ne doit pas limiter la portée de la présente invention. La taille et la forme de l'échangeur 26 variera alors selon son emplacement. L'utilisation de ce type de condenseur se fait surtout de concert avec les réseaux souterrains d'alimentation des grandes villes et des sous-stations, lesquelles sont habituellement disposées le long de grands artères et de routes principales. Aux figures 5 et 7, la condensation se produit sur la ou les surfaces intérieures 34 du lampadaire-condenseur, alors que la ou les surfaces extérieures sont recouvertes d'ailettes 36 servant à accroître la surface de dissipation de la chaleur. Le lampadaire de la figure 7 peut en outre inclure un conduit 38 pour des fils électriques. Selon la position relative du lampadaire et la longueur du circuit, son raccord à l'enceinte 16 peut être effectué à l'aide de tubes soit solides soit flexibles de longueur quelcon que,polrautant qu'il n'y ait pas obstruction pour l'écoulement de la vapeur et du liquide condensé. Le liquide volatile 24 utilisé devrait posséder les caractéristiques suivantes : a) I1 devrait être chimiquement compatible avec la matière qui constitue les parois de l'enceinte fermée 16 et de l'échangeur de chaleur fermé 26, ainsi que la couche poreuse 22 ; b) sa pression de vapeur devrait être moins de 180 psig à une température d'environ 600C ; c) Sa chaleur latente de vaporisation, sa densité de vapeur ainsi que sa tension de surface devraient être élevées. Ces caractéristiques se rencontrent à divers degrés chez les liquides suivants : l'ammoniac, le propane, les réfrigérants au fluorocarbone, et l'eau. Ces liquides qui permettent au système de fonctionner à des pressions excédants la pression atmos phérique ont l'avantage additionnelle de permettre une continuité de fonctionnement du système malgré la survenue d'une fuite mi neure jusqu'à ce que la totalité du liquide volatile 24 se soit échappée sous forme de vapeur. En utilisant des pressions de moins de 200 psig, on évite toute contamination de l'huile 14 résultant d'une fuite fuite dans le tuyau 12. Afin de vérifier le bon fonctionnement et de détecter toute fuite possible de chaque unité de l'appareil de refroidissement, on peut y istaller un détecteur de pression qui serait relié directement à la sous-station la plus proche. L'écoulement d'huile 14 à l'intérieur du tuyau 12 offre un apport pour dissiper la chaleur générée tout le long d'un câble de transport d 'éner- gie lorsque l'appareil de refroidissement selon la présente invention subit une réparation. Le fonctionnement de l'appareil est principalement relié à l'évaporation du liquide volatile 24 au voisinage de l'enceinte 12 qui renferme les câbles de transport d'énergie. Ce liquide volatile 24, contenu au fond de l'enceinte fermée 16, est en contact avec la partie inférieure 23a de la couche de matière poreuse 22 et vient imbiberpar capillarité la partie supérieure 23b de cette couche poreuse. La vapeur produite s'écoule le long de l'enceinte fermée 16 en direction de la flèche 38 représentée à la figure 1, et ensuite au travers le conduit 32, le raccord flexible 28, et le conduit 33 jusqu'à l'intérieur de l'échangeur de chaleur fermé 26.Cet écoulement de vapeur dans la direction indiquée est induite grâce à une faible différentielle de pression existante entre l'échangeur de chaleur 26, la vapeur se condense par transfert de la chaleur à un milieu réfrigérant qui peut être l'air ambiant ou de l'eau en mouvement. Le liquide condensé s'écoule alors par gravité vers l'enceinte fermée 16, complétant ainsi le cycle. Et ce cycle est réalisé sans l'apport de pompes ou autres appareils. Les parties évaporatoires et de condensation sont donc assemblées en un système fermé dans le quel le liquide volatile est en équilibre avec sa vapeur. Puisque le liquide s'évapore et se condense à la même température, les deux parties du système seront maintenues à des températures quasi-égales. En outre, en raison de l'interdépendance entre la température et la pression, le processus de transfert s'effectue à un volume presque constant. En conséquence, le systeme fonctionnera à n'importe queile température au-dessus du point de congélation du liquide. De façon générale, l'opération de refroidissement est d'autant plus efficace que les températures de fonctionnement sont élevées. Toutefois, ce phénomène se renverse à l'approche de la température critique. Le système de refroidissement comme tel est apte à effectuer d'importants transferts de chaleur lorsque les longueurs de circuits sont importants alors qu'ils ne requièrent qu'une faible différentielle de température. De plus, le temps de réponse au transitoire thermique est d'autant plus court que la masse impliquée est relativement faible. Le sol peut également être utilisé pour dissiper une partie de la chaleur générée par les câbles, sa capabilité d'emmagasinement de la chaleur étant suffisamment grande pour compenser les fluctuations journalières de température causée par des surcharges sur les câbles. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés, caractérisé en ce qu'il comprend : - une enceinte fermée disposée et conçue pour qu'une portion des câbles de transport d'énergie enterrés passe à l'intérieur, cette enceinte fermée étant partiellement remplie d'un liquide volatile - un échangeur de chaleur fermé relié à ladite enceinte fermée, cet échangeur et son point de raccordement à l'enceinte étant situés au-dessus du niveau dudit liquide volatile à l'intérieur de l'enceinte fermée - ledit liquide volatile, ladite enceinte fermée et ledit échangeur de chaleur étant disposés de sorte que le liquide volatile soit évaporé à l'intérieur de l'enceinte fermée par la chaleur produite par les câbles de transport d'énergie enterrés, que le liquide évaporé soit transféré grâce à une différentielle de pression, de l'enceinte fermée à l'échangeur de chaleur où s'effectue la condensation du liquide évaporé, et que le liquide condensé soit retourné par gravité vers l'enceinte fermée. 2 - Appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que une couche de matière poreuse encercle la portion des câbles comprise à l'intérieur de l'enceinte fermée, et disposée de sorte que sa partie inférieure soit en contact avec le liquide volatile pour répartir ce liquide volatile par action capillaire et de façon uniforme sur la surface des câbles de transport d'énergie. 3 - Appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur fermé est relié à une extrémité de l'enceinte fermée et se situe au-dessus de celle-ci, et en ce que l'enceinte possède une pente descendante par rapport à l'extrémité à laquelle est relié l'échangeur de chaleur,de façon à permettre un écoulement du liquide volatile condensé, par gravité, le long de l'enceinte fermée. 4 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur est situé au-dessus du niveau du sol et est incorporé à la structure d'un lampadaire. 5 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière poreuse est du fibre de verre non traité. 6 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide volatile comprend de l'ammoniac, du propane, des réfrigérants au fluorocarbone, ou de l'eau. 7 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échan- geur de chaleur est relié à l'enceinte fermée à l'aide d'un raccord flexible. 8 - Appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés à l'aide d'un fluide volatile, caractérisé en ce qu'il comprend - une enceinte fermée de forme allongée - une couche de matière poreuse, de forme allongée et comportant en son intérieur un espace pour recevoir un câble de transport d'énergie, ladite couche étant disposée tout le long et à l'intérieur de l'enceinte fermée et possède une partie supérieure et une partie in- férieure s'étendant tout le long de la couche, ladite partie inférieure étant disposée de façon à être en contact avec la phase liquide dudit fluide volatile alors que ladite partie supérieure est espacée duduit liquide volatile en phase liquide - un échangeur de chaleur relié à ladite enceinte fermée à un point de raccordement situé au-dessus du fluide volatile en phase liquide et de l'enceinte fermée - ladite enceinte, ladite couche poreuse et ledit échangeur de chaleur étant disposés de sorte que le fluide volatile en phase liquide et réparti sur la surface de la couche poreuse par action capillaire, soit évaporé à l'intérieur de l'enceinte fermée pgr la chaleur produite par les câbles de transport d'énergie, que le liquide évaporé soit transféré de l'enceinte fermée à l'échangeur de chaleur grâce à une différentielle de pression existant entre ceuxci, et que le liquide évaporé soit condensé dans l'échangeur de chaleur, et soit retourné par gravité vers l'enceinte fermée. 9 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'echan- geur de chaleur est relié à une extrémité de ladite enceinte fermée et que cette enceinte suit une pente descendante par rapport à cet extrémité àù s'élève l'échangeur de chaleur, de sorte qu'une répartition du liquide volatile condensé le long d'un segment de ladite enceinte fermée soit obtenue par simple gravité. 10 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'echan- geur de chaleur s'élève au-dessus du niveau du sol et est incorporé à la structure d'un lampadaire. 11 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la-revendication 8, caractérisé en ce que la matière poreuse est du fibre de verre non traité. 12 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 8, caractérisé en ce que le liquide volatile est de l'ammoniac, du propane, des réfrigérants au fluorocarbone , ou de l'eau. 13 - Un appareil pour refroidir des câbles de transport d'énergie enterrés selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite enceinte fermée et ledit échangeur de chaleur sont reliés au moyen d'un raccord flexible.