Brevet FR2373771A1 — publié le 19780707

La mise en oeuvre du cycle de Carnot pour la production d'électricité nécessite la réalisation - d'une source chaude : générateur de vapeur alimenté en chaleur par la combustion de combustibles solides, liquides ou gazeux d'origine fossile dans le cas de centrales thermoélectriques classiques ou alimenté en chaleur provenant de réactions nucléaires de fission dans le cas de centrales nucléoélectriques. - et d'une source froide : quelles que soient les techno logies utilisées pour la réalisation de la source froide (condensation de la vapeur d'eau à l'échappement des turbines dans les installations de production d'électri cité construites en construction ou en projet): . réfrigération en circuit ouvert sur un fleuve ou la mer . réfrigération humide en circuit fermé (réfri gérants atmosphériques humides à tirage naturel ou forcé) . réfrigération séche(aérocondensation directe ou indirecte de la vapeur dans des appareils à tirage naturel ou forcé) l'air atmosphérique est le milieu dans lequel est déversée la chaleur dégagée à la source froide. Dans les installations actuelles utilisant directement l'air comme fluide de réirigération (réfrigération humide ou réfrigération sèche à tirage naturel qui entrent dans le champ de la présente invention) on admet que le transfert de la chaleur de la source froide s'effectue dans un air dont les caractéris tiques thermodynamiques sont celles de l'air au contact du sol.Dans les calculs de ces installations, aucune hypothèse n'est faite sur la partici pation de cet air aux échanges thermoconvectifs qui s'établissent entre les basses couches atmosphériques au contact du sol et les hautes couches atmos phèriques . Si cette conception s'est trouvée globalement confirmée dans les installations actuelles, il n'est pas sur qu'avec les installations en cons truction ou en projet dont la puissance est bien supérieure à celles en fonctionnement, on n'atteigne pas un seuil à partir duquel il faudra prendre en compte le fait que l'air atmosphérique au contact du sol participe à la "machine thermique atmosphérique" dont la source chaude se trouve être le sol et la source froide, les hautes couches atmosphériques, l'énergie de cette machine provenant des réactions thermonucléaires de fusion du soleil. Pour le moment on admet que l'air réchauffé par déversement de la chaleur de la source froide dans celui-ci se mélange par diffusion dans l'air am- biant, alors qu'il se peut qu'à partir d'un certain seuil de puissance il participe à la " machine thermique atmosphérique " et cela tout d'abord d'une manière aléatoire en provoquant des accidents météorologiques du type tornade. Il est donc évident qu'il vaut mieux admettre l'existance de la "machine thermique atmosphérique " pour cn tirer profit L'oecpérience montre que les échanges thermoconvectifs entre la surface du sol et les hautes couches de l'atmosphère entrainent deux types de mouvement de l'air X - un mouvement ascentionnel lent - un mouvement rotationnel (vortex) qui peut se traduire par une grande concentration d'énergie dont les cyclones et les tornades sont la manifestation la plus évidente Par conséquent, il apparat t que la meilleure manière de tirer profit de la machine thermique atmosphérique n consiste à créer grâce à des structures de forme adéquate des vortex, ce qui constitue l'objet même de l'invention. Dans un vortex les particules d'air chaud étant animées d'une très grande vitesse par rapport aux particules d'air ambiant ne se mélangent pas à cel les-ci de telle sorte que le vortex réalise une cheminée fictive.On conçoit alors que cette propriété rend beaucoup plus probable l'utilisation des potentialités de la " machine thermique atmosphérique n en rendant possible une connexion entre l'air réchauffé des basses couches atmosphériques et l'air des hautes couches puisqu'une différence de température significative existe entre ceux-ci L'énergie potentielle que l'on a ainsi à sa disposition peut servir à plusieurs usages t - augmenter l'efficacité du système d'échange assurant le trans èrt de la chaleur de la source froide à l'air ambiant. - diminuer les dimensions géométriques de la cheminée équipant les installations classiques à tirage naturel (réfrigérants atmosphériques notaient) de manière à restreindre leur i- pact visuel et faciliter leur insertion dans l'environnement paysager. - assurer la récupération d'énergie , ce qui permet de coupler d'une certaine manière lténergie solaire et énergie nuclèo électrique pu thermoélectrique. La structure permettant la réalisation d'un vortex comporte, comte le précisent les figures P i et 2 s - à la base t un système d'aubages mettant l'air extérieur en rotation e chauffé au préalable par passage dans un échangeur évacuant la chaleur de la source froide de la centrale élec- trique à l'échappement de la turbine - suivi d'un convergent divergent vertical destiné à confiner le vortex l'es formes des aubages ,coergent divergent sont déterminées par application des principes de mécanique des fluides aprés vérification sur Ina quette. Une cheminée conçue suivant ce schéma est dite cheminée à vortex et constitue l'objet de l'invention comme indiqué précédemment. L'énergie potentielle apportée par la mise en oeuvre d'un vortex est une énergie sauvage qu'il est nécessaire de maîtriser. Pour ce faire, il suffit de disposer dans l'axe du vortex une tuyauterie d'adduction directe de l'air extérieur , munie de vannes adaptées, cette tuyauterie pouvant être équipée d'un appareil de récupération d'énergie. Examinons les différentes manières de réaliser les idées qui viennent dextre exposées en tenant compte de la conception de l'échangeur transférant la chaleur de la source froide à l'air atmosphérique 1) Réfrigérants Atmosphériques imides Seuls les réfrigérants atmosphériques humides à courant croisé rendent possible l'adaptation d'une structure permettant la formation d'un vortex La figure y 1 montre le schéma d'un tel systéme couplé à une turbine à 4 échappements couplés par 2 et réalisant des pressions d'échappement étagées. (Ce schéma est valable quel que soit le nombre d'échappements) Un tel réfrigérant nécessairement couplé & une rivière fournissant l'eau d'appoint évaporée peut être monté comme indiqué sur le schéma, ce qui permet t - de supprimer le circuit d'eau d'appoint habituel et son ins- tallation de traitement chimique. - de restituer à la rivière un débit important d'eau en équi libre thermique avec l'air ambiant et surtout oxygénée, ce qui permet de combattre les phénomènes d'entrophisation des rivières t fleuves et lacs. Le débit d'eau restitué à la rivière peut être de l'ordre du 1/4 du débit total d'eau de circulation, ce qui est déjà réalisé dans des circuits de réfrigération par lac couplé à une rivière. 2) Aérocondenseurs (Réfrigérants secs) La figure N 2 montre une disposition rendant possible l'utilisation du vortex dans la cas d'une aérocondensation directe ou indirecte. Lorsqu'on a recours à l'aérocondensation directe, le volume de vapeur à véhiculer à l'échappement de la turbine est tel qu'il n'est pas possible de le faire dans une tuyauterie unique (la technologie ne permet pas de réaliser des tuyauteries sous vide dont le diamétre soit supérieur à 5 m) Dans ces conditions, il est impératif de fractionner le débit total de vapeur dans autant de tuyauteries ( de diamétre permis économiquement par la technologie actuelle) qu'il est nécessaire. I1 en résulte que la turbine, donc son échappement doit occuper une position centrale par rapport aux éléments d'échange constituant l'aérocondensation, ce qui nécessite son installation dans une fosse sous l'aérocondenseur, Par contre, lorsqu'onarecours à l'aérocondensation indirecte, la vapeur à l'échappement de la turbine étant condensée dans un condenseur par surface classique il n' est pas indispensable de placer la turbine au centre de l'aérocondenseur donc dans une fosse. LEGENDE FIGURE 7 CIRCUIT DE CIRCULATI0X A PCA Pompe de circulation R Retenue exploitée à niveau constant en liaison avec bassin annulaire extérieur bA VA Vanne de réglage du débit d'adduction d'eau oins refroidie du bassin annulaire extérieur bA' Vanne de by pass pour démarrage par temps de gel VAA Vanne d'appoint au circuit de circulation B AJ Tuyauterie d'adduction d'air extérieur permettant le contrôle du vortex, cette tuyauterie pouvant etre équipée d'un appareil de récupération d'énergie. CIRCUIT DE CIRCULATION B PCB Pompe de circulation VPB Vanne de purge du circuit de circulation. LEGENDE DE LA FIGURE 2 1 Groupe turbo alternateur disposé dans une fosse sous l'aérocondenseur direct 2 élément d'aérocondensation directe ou indirecte 3 Cor de la structure de formation du vortex où l'on pourrait disposer un appareil de récupération d'énergie. 4 Tuyauterie d'adduction d'air extérieur destinée à contrôler le vortex et pouvant etre équipée d'un appareil de récupération d'énergie. REVENDICATIONS 1) Centrales thermoélectriques su nucléoélectriques caractérisées en ce que les cheminées à tirage naturel des réfrigérants humides ou secs équipant les sources froides de ces centrales sont remplacées par des cheminées à vortex dans lesquelles l'air de réfrigération est mis en rotation pour former un vortex. 2) Cheminée à vortex caractérisée en ce que le système de transfert de la chaleur de la source froide à l'air de réfrigération est dispose à la base et à la périphérie de la cheminée. 3) Cheminée à vortex, selon la revendication Je 2, caractérisée en ce qu' elle comporte un système d'aubages destiné à mettre l'air de réfrigéra- tion en rotation suivi d'un convergent dévergent destiné à confiner le vortex. 4) Cheminée à vortex, selon les revendications N 1,2,3, caractérisée en ce que le centrale du débit d'air du vortex est assuré par l'introduc- tion d'air extérieur froid à la base du vortex gracie à une tuyauterie d'adduction de cet air froid munie du vannage adéquat. 5) Cheminée à vortex t selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tuyauterie d'adduction drair froid peut être équipée d'un appareil de récupération d'énergie susceptible de produire notamment de l'élec tricité 6) Réfrigérant atmosphérique humide w selon les revendications 1.2.3, caractérisé en ce que la dispersion (échangeur) est à courant croisé 7) Réfrigérant atmosphérique humide, selon les revendications 1.2.3.4-5.6 caractérisé en ce que le bassin inférieur est constitué d'au moins deux bassins annulaires, le bassin annulaire extérieur étant relié di rectement à la rivière de manière à :: - lui restituer une eau saturée en oxygène w la plus froide possible. - à supprimer les traitements chimiques de l'eau de circula tison. 8) Réfrigérant atmosphérique, selon la revendication 7, caractérisé en ce que pour une turbine al échappement ou 1 circuit d'eau de circulation les deux bassins annulaires inférieurs peuvent communiquer par un déver soir annulaire dont le débit est assuré par une vanne équipant la tuyau terie de circulation piquée sur le bassin annulaire inférieur intérieur. 9) Réfrigérant atmosphérique, selon la revendication 7et 8, caractérisé en ce que pour une turbine à plus de 2 échappements on peut réaliser des pressions d'échappement étagées en réalisant plus de 2 circuits de circulation indépendants. 10 ) Aérocondenseur direct ou indirect , selon les revendications 1.2.3.4.5 caractérisé en ce que les échangeurs sont à la périphérie de la cheminée à vortex. 11 ) Aérocondenseur direct, selon la revendication 10, caractérisé en ce que le groupe turboalternateur se trouve logé dans une fosse sous la cheminée à vortex.