Brevet FR2432086A1 — publié le 19800222

L'invention concerne le domaine de la production d1éner-- gie. Elle a pour objet un procédé et un dispositif permettant de produire de l'énergie à partir d'un-fluide porteur d'enthalpie, utilisable sous forme d'un liquide sous pression et à haute température. L'invention a en particulier pour objet un procédé et un dispositif pour récupérer de l'énergie à partir d'eau chaude sous pression, ainsi que pour produire conjointement de l'eau douce, si on le désire. Elle est applicable notamment dans le cas d'installations isolées, naturellement ou- accidentellement, où l'on dispose d'une source extérieure d'eau chaude. A titre d'exemple, on peut citer les centrales nucléaires. On sait, en effet,qu'en cas de rupture de gaine contenant le combustible, il est nécessaire de refroidir le coeur du réacteur par une circulation d'eau froide. I1 est alors souhaitable de disposer d'un circuit d'eau froide sous pression dit "circuit de secours", pouvant être mis en oeuvre de façon absolument autonome, c'est à dire sans le concours d'une servitude extérieure. On dispose sur le site de la centrale d'une part, d'une réserve importante d'eau dans un bassin à température ambiante, et, d' autre part, d'un réservoir d'eau à haut niveau enthalpique à 1' état saturant, par exemple à une pression de 12,5 bars et à une température de 18O0C. Un autre exemple d'application de l'invention est le cas d'eaux souterraines débouchant naturellement ou artificielle ment du sol à une température relativement élevée, par exemple 12O0C, dans un site dépourvu d'amenée d'énergie extérieure, et même éventuellement, d'eau potable t'invention permet d'utiliser l'énergie contenue dans cette eau pour produire de l'énergie et, si on le désire, de fournir, à partir de la vapeur évaporée de cette eau, en général impropre à la consommation parce que chargée de sels minéraux, de l'eau douce pour la consommation locale. Sous sa forme générale, l'invention a pour objet un procédé pour récupérer l'énergie contenue dans un fluide, tel que lleau, à haut niveau enthalpique (P, t) caractérisé en ce qu'on détend le fluide jusqu'à une pression (PO) inférieure à la pression atmospherique, en l'introduisant dans une enceinte fermée et en l'y faisant passer à travers une tuyère diphasique, où le fluide se vaporise partiellement et s'accélère pour former au moins un jet à grande vitesse, en ce qu'on transforme l'éner- gie cinétique, contenue dans ce jet, en travail sur l'arbre d'une turbine à action, en ce qu'on condenseoau moyen de fluide froid prélevé à l'extérieur de ladite enceinte, la vapeur produite dans la détente du fluide chaud, pour maintenir la pression (PO) dans l'enceinte, et en ce qu'on reprend le fluide liquide qui s'accumule dans l'enceinte au moyen d'une pompe prélevant une partie du travail mécanique fourni par la turbine, et élevant la pression du fluide pour l'évacuer de l'enceinte. L'invention est très avantageuse si le fluide à haut niveau enthalpique est de l'eau de même que le fluide froid extérieur à l'enceinte. L'énergie mécanique restante peut être utilisée, dans le cas d'une centrale nucléaire, pour pomper de l'eau depuis le bassin d'eau à température ambiante vers le circuit d'utilisation. Dans le cas d'énergie fournie par de l'eau provenant d'un site naturel, l'énergie mécanique non utilisée peut être mise à profit pour faire tourner une machine, par exemple une génératrice de courant électrique. Le procédé de l'invention permet de produire simultanément de l'eau douce et de l'énergie à partir d'une eau saumâtre à température elevée, dès lors qu'on sépare complémentairement la vapeur produite après passage dans la turbine, et qu'on la condense au moyen d'eau extérieure. Selon un mode de réalisation, l'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ciodessus, ledit dispositif étant applicable à titre de dispositif de sécurité pour fournir de l'eau au circuit de secours d'une centrale nucléaire et étant caractérise en ce qu'il comprend une enceinte, des moyens pour introduire dans l'enceinte l'eau à haut niveau enthalpique, contenue dans un réservoir sous pression, au moins un conduit convergent-divergent associé auxdits moyens pour detendre cette eau dans l'enceinte, au moins une roue de turbine à action disposée dans l'enceinte pour recevoir l'écoule ment, sortant du conduit, des moyens pour introduire dans l'enceinte, depuis l'extérieur, de l'eau froide sous forme dispersée, une première pompe pour élever la pression de l'eau condensée dans 1' enceinte jusqu'à la pression du circuit de secours, et une deuxième pompe aspirant l'eau contenue dans un bassin à pression atmos phérique et la refoulant jusqu'à la pression dudit circuit de secours, les deux pompes étant entrainées par la turbine. Selon un autre mode de réalisation, l'invention concerne un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus, en vue de produire simultanément de l'eau douce et de l'éner- gie à partir d'eau chaude sous pression (géothermie), ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, des moyens pour introduire dans l'enceinte l'eau sous pression à température élevée, un convergent-divergent associé auxdits moyens pour fournir un jet diphasique, une turbine à action placée dans l'enceinte sur le trajet du jet diphasique, 11 enceinte étant séparée en deux parties, la première contenant le rotor de la turbine et recueillant l'eau qui en sort, la deuxième étant munie d'un faisceau de condensation et permettant de recueillir le condensat de la vapeur, une première pompe pour renvoyer l'eau douce de la deuxième partie de l'enceinte vers un réservoir, une deuxième pompe pour évacuer l'eau de la première enceinte dans une décharge, la turbine entraidant ces deux pompes ainsi qu'une machine pour recueillir l'énergie restant sur l'arbre de la turbine. L'invention sera maintenant illustrée, sans être aucunement limitée, par la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels FIG. 1. est un schéma d'un dispositif de sécurité pour centrale nucléaire. FIG. 2. est un schéma d'un dispositif géothermal. La figure 1 représente schématiquement une installation de secours d'urgence pour une centrale nucléaire. Un réservoir 1 contient de l'eau sous pression P, par exemple 12,5 bars, et à la température de saturation correspondante t, soit 1880C. Pour alimenter le circuit de secours, ici représenté par une tuyauterie de depart 2, il est nécessaire d'élever un certain débit d'eau, par exemple 140 kg/s, une pression P1, par exemple de 7 bars. Ce débit est prélevé dans un bassin 3 rempli d'eau, au moyen d'une pompe 4. A cet effet, un débit d'eau à (P,t) est envoyé depuis le réservoir 1, par une tubulure 51 dans une enceinte 6. Cell-e-ci se trouve en dépression grâce à un éjecteur 7 également alimenté en eau à (pfft) par une tuyauterie 8, les deux tuyauteries 5 et 8 étant commandées par la même soupape d'urgence 9. Le débit d'eau prélevé par la tuyauterie 5 est amené dans une tuyère de détente constituée par un convergent-divergent 10 oùl'eau se vaporise partiellement sous l'effet de la détente et acquiert une grande vitesse. Le jet mixte vapeur-liquide 11 sortant est dirigé sur les aubages d'une turbine 12, par exemple une turbine à action axiale ou une turbine Pelton. Cette turbine se met en marche dès l'ouverture de la vanne 9 en même temps que l'éjecteur 7 crée le vide dans l'enceinte. A noter que l'éjecteur 7, dans ce cas, qui peut être celui d'une centrale nucléaire, ne sert que dans les tout premiers instants du démarrage, afin de mettre l'enceinte 6 en dépression en même temps que le rotor de la turbine 12 se met en marche pour atteindre sa vitesse normale.Lorsque celle-ci est atteinte, on peut interrompre le fonctionnement de l'éjecteur, par exemple grâce à une vanne 8' montée sur la tuyauterie 8. Bien entendu, la commande de cette vanne 8' peut être automatique et ré guléeen fonction des paramètres de l'installation, par exemple de la valeur de la pression dans l'enceinte 6. Sous l'effet de la dépression créée par l'éjecteur 7, de l'eau venant du bassin 3 par une conduite 13 vientalimenter une rampe 14 destinée à permettre la condensation, par mélange,de la vapeur produite qui a traversé les aubages de la turbine 12. La turbine 12 entraine directement ou indirectement la pompe 4, prélevant l'eau du bassin par la tuyauterie 15, et une pompe 16 d'extraction de l'eau rassemblée dans le fond de l'enceinte 6 par une tuyauterie 17. La pompe 16 refoule cette eau également dans la tuyauterie 2, par la canalisation 18. Les calculs montrent qu'en maintenant dans l'enceinte 6 une température to de 50"C et une pression PO de 0,15 bar, il est possible d'entrainer une turbine de 150 KW avec seulement un débit d' eau de 2,1-4 kg/s à température t de 1880C et pression P de 12,5 bars, Le titre du jet sortant de la tuyère est alors de 0,214, la quantité de vapeur étant de 0,45 kg/s pour une section de jet de 0,015m2. Le débit d'eau supposé à 250C, nécessaire à la condensation, est de 10 kg/s. I1 est donc nécessaire de pomper d'une part 12,14 kg/s d'eau depuis le fond de l'en - ceinte 6 et l'énergie restant sur la turbine permet à la pompe 4 de refouler dans la conduite 2 le débit nécessaire de 150 kg/s à 7 bars (environ 130 KW pour l'entraînement de la pompe). La figure 2 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, qui permet de récupérer 1' énergie contenue dans de l'eau sous pression d'origine géothermique et assure également une production d'eau douce. On y retrouve certains éléments représentés à la Fig.l, à savoir, une enceinte 6, une conduite 5 amenant de l'eau chaude sous pression vers une tuyère 11 constituée par un convergentdivergent, une conduite 8 amenant une petite partie de cette eau dans un éjecteur 7, et une roue de turbine 12 située dans l'enceinte 6. Dans le dispositif représenté à la figure 2, l'enceinte 6 est séparée en deux parties ou compartiments 6' et 6". La partie 6' contient la roue de turbine 12. Au fond de la partie 6' se rassemble l'eau ayant traversé la turbine 12, cette eau étant supposée impropre à la consommation. Dans la partie 6" se trouve un faisceau 19 de condensation par surface. L'eau douce condensée se rassemble au fond de la partie 6". Une pompe 16' reprend l'eau rassemblée dans le compartiment 6'pour l'évacuer en 22, tout en conservant une partie dans un réservoir 20 où elle est amenée par une rampe 21 et où elle peut être reprise après refroidissement pour être envoyée dans le condenseur 19, par la canalisation 23. La pompe 16" reprend l'eau rassemblée dans le compartiment 6" pour être envoyée dans un réservoir 24 par la canalisation 25 pour servir à la consommation. L'énergie restante sur la turbine est utilisée pour entraîner une génératrice 26 pour les besoins locaux. On voit qu'on a ainsi pu commodément réaliser la production d'eau douce et d' énergie dans un lieu isolé où l'on dispose d'eau géothermale sous pression et température convenables. Une installation telle que décrite en référence à la figure 2 est simple et robuste. Elle convient très bien pour des geysers naturels d'eau chaude, capables de fournir une petite puissance, par exemple de l'ordre de 50 à 100 kilowatts. L'invention n'est pas limite aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples. Ainsi, dans le dispositif décrit en référence à la figure l,-le conduit 10 convergent-divergent peut comporter de manière connue une aiguille de réglage permettant de faire varier les caractéristiques du jet diphasique. Dans ce cas, il est prévu une régulation selon l'invention, conformément à laquelle la course de l'aiguille de réglage est commandée par des moyens de réglage asservis aux conditions requises pour la conduite de secours. On notera aussi que les deux dispositifs des fig. 1 et 2, en vue de créer au démarrage les conditions de pression dans l'enceinte, comportent un éjecteur actionné par l'eau chaude sous pression comme fluide primaire de façon à créer le vide dans l'enceinte pendant que le rotor de la turbine se met en eau vitesse. On notera cependant que1 dans son application à une/géothermale, il importe, pour tenir compte de la présence des gaz dissous dans l'eau primaire, que l'éjecteur fonctionne en permanence, même après le démarrage du rotor de la turbine. D'autres variantes sont à la portée de l'homme de l'art prenant en considération les revendications annexées. REVENDICATIONS 1.Procédé rcuperer l'énergie contenue dans un fluide, tel que l'eau, à haut niveau enthalpique (P,t), caractérisé en ce qu'on détend le fluide jusqu'à une pression (P O) inférieure à la pression atmosphérique, en l'introduisant dans une enceinte fermée et en l'y faisant passer à travers une tuyère diphasique, où le fluide se vaporise partiellement et s'accélère pour former au moins un jet à grande vitesse, en ce qu'on transforme l'énergie cinétique, contenue dans ce jet, en travail sur l'axe d'une turbine à action, en ce qu'on condense au moyen de fluide froid, prélevé à l'extérieur de ladite enceinte, la vapeur produite dans la détente du fluide chaud, pour maintenir la pression (P O) dans l'enceinte et en ce qu'on reprend le fluide liquide qui s'accumule dans l'enceinte au moyen d'une pompe prélevant une partie du travail mécanique fourni par la turbine, et élevant la pression du fluide pour 1 'évacuer de l'enceinte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide à haute enthalpie est une eau saumâtre à température élevée, en ce qu'on sépare la vapeur produite de l'eau après passage dans la turbine et en ce qu'on la condense dans l'enceinte au moyen d'eau extérieure, ce qui permet de produire simultanément de l'énergie et de l'eau douce. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, applicable à titre de dispositif de sécurité pour fournir de l'eau au circuit de secours d'une centrale nucléaire, et étant caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, des moyens pour introduire dans l'enceinte l'eau à haut niveau enthalpique contenue dans un réservoir sous pression, au moins un conduit convergent-divergent associé auxdits moyens pour détendre cette eau dans l'enceinte, au moins une roue de turbine à action disposée dans l'enceinte pour recevoir l'écoulement sortant du conduit, des moyens pour introduire dans l'enceinte depuis l'extérieur de l'eau froide sous forme dispersée, une pre- mière pompe pour élever la pression de l'eau condensée dans l'enceinte jusqu'à la pression du circuit de secours, et une deuxième pompe aspirant l'eau contenue dans un bassin à pression atmosphérique et la refoulant jusqu'à la pression dudit circuit de secours les deux pompes étant entraînées par la turbine. 4. Dispositif selon la revendication 3 où le conduit convergent-divergent comporte une aiguille de réglage, caractérisé en ce que la course de l'aiguille de réglage est commandée par des moyens de réglage asservis aux conditions requises pour la conduite de secours. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que, en vue de créer au démarrage, les conditions de pression dans l'enceinte, il comporte un éjecteur actionné par l'eau chaude sous pression comme fluide primaire de façon à créer le vide dans l'enceinte pendant que le rotor de la turbine se met en vitesse. 6. Dispositif /a mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, en vue de produire simultanément de l'eau douce et de l'énergie à partir d'eau chaude sous pression, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte, des moyens pour introduire dans l'enceinte l'eau sous pression à température élevée, un convergent-divergent associé auxdits moyens pour fournir un jet diphasique, une turbine à action, placée dans l'enceinte sur le trajet du jet diphasique, l'enceinte étant séparée en deux parties, la première contenant le rotor de la turbine, et recueillant l'eau qui en sort, la deuxième étant munie d'un faisceau de condensation et permettant de recueillir le condensat de la vapeur, une première pompe pour renvoyer l'eau douce de la deuxième partie de l'enceinte vers un réservoir, une deuxième pompe pour évacuer l'eau de la première enceinte dans une décharge, la turbine entraînant ces deux pompes ainsi qu'une machine pour recueillir l'énergie restant sur l'arbre de la turbine.