Brevet FR2509389A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne les techniques d'utilisation de l'énergie solaire et a notamment pour objet une installation solaire pour élever le liquide d'une source. L'invention est destinée en particulier au puisement de l'eau de sources se trouvant à de grandes profondeurs, par exemple de puits dans les régions sèches où les jours ensoleillés sont nombreux. De plus, l'invention peut être utilisée avec succès pour le pompage d'eau à des fins dtirrigation ainsi que dans les systèmes d'approvisionnement en eau chaude. On connatt une installation de pompage à source d'énergie solaire (cf. la revue "Solar Energy", 1976, 18, ne 5, pages 405 à 411) comportant un collecteur d'énergie solaire pour la production de vapeur, relié à un système de pompage d'eau. L'élévation de l'eau se fait par l, hvtles de vapeur d'un liquide à bas point d'ébullition, entratnant avec elles une masse d'eau de la source jusqu'à une hauteur déterminée. Ce système nécessite la présence d'un séparateur auxiliaire pour séparer de cette eau les vapeurs de liquide à bas point d'ébullition et d'un condensateur pour ces vapeurs, ce qui complique notablement l'installation. On connatt une installation solaire pour élever de liteau (cf. la revue "Ann Arid Lone", 1976, 15, NO 3) destinée à être utilisée pour l'irrigation. Cette installation comporte un collecteur d'énergie solaire relié à un système de pompage d'eau composé d'un échangeur de chaleur, d'un moteur à pistons, d'une presse hydraulique et d'une pompe à eau. Dans l'échangeur de chaleur, l'eau chauffée dans le collecteur cède sa chaleur au liquide à bas point d'ébullition. La vapeur formée met en action le moteur à pistons relié à l'aide d'un arbre commun à la presse hydraulique. La presse hydraulique est reliée à l'aide d'une transmission hydraulique à la pompe à eau disposée, par exemple, dans un puits. Cette installation nécessite l'utilisation d'un deuxième liquide à bas point d'ébullition et est d'une faible efficacité par suite des pertes d'énergie dans l'échangeur de chaleur, dans le condensateur pour la vapeur usée dans le moteur à pistons, et dans la pompe auxiliaire pour le recyclage du liquide à bas point d'ébullition dans le collecteur. On connatt une installation solaire pour élever de l'eau (cf. la revue "Amer City and Cow4r1y", 1977, 92, nO 9) comportant un collecteur d'énergie solaire pour la production de vapeur, muni d'un mécanisme pour son orientation et relié à un système de pompage d'eau. Le système de pompage d'eau est constitué d'une turbine et d'une pompe à eau reliée celle-ci par un arbre commun. Dans la turbine est utilisée l'énergie de la vapeur produite dans le collecteur:l'éneethenmpe de la vapeur se transforme en mouvement rotatif de la roue de la turbine et de la roue à aubage de la pompe reliée à la roue de la turbine. Cette installation nécessite l'utilisation d'un liquide à bas point d'ébullition supplémentaire dans b circuit du collecteur et de la turbine à vapeur, ainsi que d'un condensateur spécialement destiné à la vapeur usée de ce liquide et d'une pompe auxiliaire pour l'amenée du liquide dans le collecteur. Ces appareils et les organes tournants de l'installation, ainsi que la nécessité de prévoirune alimentation de la pompe auxiliaire compliquent l'installation et entrassent des pertes supplémentaires correspondantes de l'énergie dans celles-ci, ainsi que des pertes d'énergie pour la transmission de l'énergie de la turbine à la pompe. On s'est donc proposé de mettre au point une installation solaire pour élever le liquide d'une source, dans laquelle le système de pompage de liquide et l'organisation du processus de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique permettraient d'élever l'efficacité de ladite installation. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'une installation solaire pour élever un liquide d'une source, du type comportant un collecteur d'énergie solaire pour la production de vapeur, muni d'un mécanisme pour son orien tation, et un système de pompage du liquide, relié la source de liquide et à l'utilisateur, caractérisée, selon l'inventiont en ce que le système de pompage du liquide est exécuté sous forme d'un injecteur à plusieurs jets comprenant une buse centrale pour un mélange vapeur-liquide, raccordée à la sortie du collecteur, des buses périphériques pour le liquide, reliées à la source de liquide, une chambre convergente de mélange, un diffuseur à goulot dont la sortie est reliée à l'utilisateur, à l'entrée du collecteur et au mécanisme d'orientation du collecteur. Dans le but d'optimiser les régimes de fonctionnement de l'installation, il est avantageux que les buses à liquide périphériques soient formées par une série de canaux disposés suivant la circonférence de l'ouverture de sortie de la buse centrale à mélange vapeur-liquide, et que les dimensions de l'inJecteur soient déterminées par les relations suivantes : rapport de l'aire de section de sortie de chaque canal à l'aire de section de sortie de la buse centrale à mélange vapeur-X4uide - 0,026 à 0,0275 rapport de la longueur de la chambre de mélange à son diamètre équivalent -6,15 à 6,3 ; nombre de canaux égal au rapport de l'aire de section de sortie de la chambre convergente de mélange à l'aire de section de sortie d'un des canaux. Dans le but de faciliter le démarrage et la régulation des régimes de fonctionnement de l'installaton, on peut munir l'installation d'un diaphragme servant à varier l'aire de section du goulot du diffuseur, monté mobile dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'injecteur à plusieurs jets, et ayant au moins deux canaux convergentsdivergents à parties cylindriques de différent diamètre qui, pendant le déplacement du diaphragme, forment le goulot du diffuseur et qui sont disposés entre la partie convergente formant, lors du déplacement du diaphragme, la partie terminale de la chambre convergente de mélange, d'une part, et la partie divergente qui, lors dsetdéplacement du diaphragme, forme la partie initiale du diffuseur, d'autre part. L'invention permet d'obtenir une installation complètement autonome pour élever le liquide à une hauteur considérable et en grandes quantités. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente une vue d'ensemble d'une installation pnur élever le liquide d'une source, selon l'invention - la figure 2 montre l'organe de raccordement de la buse centrale à mélange vapeur-liquide, des canaux formant les buses périphériques, et de lachambre convergente de mélange, selon l'invention - la figure 3 montre la chambre convergente de mélange de l'injecteur et le diffuseur à diaphragme pour)a variation du goulot du diffuseur, selon l'invention. L'installation solaire pour élever le liquide d'une source comporte un collecteur d'énergie solaire 1 (figure 1) pour la production de vapeur et un système de pompage de liquide exécuté sous forme d'un injecteur à plusieurs jets. L'injecteur à plusieurs jets comporte une buse centrale 2 à mélange vapeur-liquide, des buses périphériques formées par une rangée de canaux 3, une chambre convergente de mélange 4 et un diffuseur 5 avec un goulot 6. La section d'entrée 7 de la buse centrale 2 est reliée à la sortie du collecteur 1. La section d'entrée 8 de chaque canal 3 est reliée à une source de liquide 9. La section de sortie 10 du diffuseur 5 faisant office de sortie de l'injecteur est reliée à l'utilisateur 11 et à l'entrée du collecteur 1. Le collecteur 1 est muni d'un mécanisme 12 pour son orientation, qui peut entre soit d'un type mecanique, soit hydraulique. Dans le cas d'un mécanisme d'orientation 12 de type hydraulique, la section de sortie 10 du diffuseur 5 est reliée au mécanisme d'orientation 12 à l'aide d'une conduite 13.Des valves 14, 15, 16 sont prévu pour la régulation du débit de liquide à la sortie de l'injecteur à plusieurs jets. La figure 2 montre le raccordement de la buse centrale 2 à mélange vapeur-liquide et de l'un des canaux 3 à la chambre convergente de mélange 4. L'aire f de section de sortie de l'un des canaux d'amenée de liquide 3 constitue 0,0265 à 0,0275 de l'aire F1 de section de sortie de la buse centrale 2, c'est-à-dire que f/F1 = 0,0265 à 0,0275 (1). La longueur L de la chambre convergente de mélange 4 est égale à 6,15-6,3 fois son diamètre équivalent ,c'està-dire où D1 est le diamètre de la section d'entrée de la chambre convergente de mélange 4, D est le diamètre de la section de sortie de la chambre convergente de mélange 4. Le nombre n de canaux 3 est égal au rapport des aires F et f des sections de sortie de la chambre convergente de mélange 4 et de l'un des canaux 3. Pour faciliter le démarrage et la régulation des régimes de fonctionnement de l'installation,celle-ci peut être équipéed'un élément formant diaphragme ou analogue 17 (figure 3) pour la modification du goulot 6 du diffuseur 5, ce diaphragme étant monté de manière à pouvoir être déplacé. Le diaphragme 17 comporte au moins deux canaux convergents-divergents. Chaque canal comporte une partie cylindrique 18 qui, lors du déplacement du diaphragme 17, forme le goulot E du diffuseur 5. Les parties cylindriques 18 des canaux convergents-divergents sont de diamètre différent .Chaque partie cylindrique 18 est située entre la partie convergente 19 formant, lors du déplacement du diaphragme 17, la partie terminale de la chambre convergente de mélange 4, d'une part, de la partie divergente 20 formant lors du déplacement du diaphragme 17, la partie initiale du diffuseur 5, d'autre part. A l'aide d'une tige 21 le diaphragme 17 est relié à un mécanisme (non représenté) pour son déplacement dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal 22 de l'inJecteur. Ce mécanisme est utilisé pour le remplacement du goulot 6. Il est également possible de monter le diaphragme 17 mobile en rotation autour d'un axe parallèle à l'axe longitudinal 22 de l'injecteur. L'installation solaire pour l'élévation du liquide de la source 9 (figure 15 fonctionne de la manière suivante. Le mélange vapeur-liquide se formant dans le collecteur d'énergie solaire 1, par exemple du type parabolocylindrique, arrive à l'entrée 7 de la buse convergente-divergente centrale 2 de l'injecteur à plusieurs jets, où son mouvement s'accélère sous l'effet de la différence des pressions à l'entrée 7 et dans la chambre de mélange 4, dans laquelle se crée une dépression pendant le fonctionnement de l'injecteur. Sous l'action de la différence entre la pression à l'entrée 8 du canal 3 de la buse périphérique à liquide, égale à la pression atmosphérique, et la basse pression dans la chambre de mélange 4, ctest-à-dire par effet d'éjection, le liquide de la source 9 arrive lui aussi dans l'injecteur. Dans le but d'augmenter le débit d'eau, il est avantageux de monter l'injecteur le plus près possible de la surface du liquide se trouvant dans la source 9 ; en particulier, il est avantageux de l'abaisser dans le puits. Les canaux 3 formant les buses périphériques pour l'amenée du liquide de condensation peuvent être coniques, à angle de divergence de 10 à 159. Ceci permet d'accélérer le mouvement du liquide dans ces canaux 3 et d'obtenir une composante axiale importante de la vitesse du liquide à l'entrée de la chambre convergente de mélange 4 et, par conséquent, de réduire les pertes dues aux chocs lors du mélange du courant de mélange vapeur-liquide en aval de la buse 2 et du courant de liquide en aval du canal 3. Le nombre de canaux 3 disposés à une distance égale suivant la circonférence de l'orifice de sortie de la buse centrale 2 est déterminé par le rapport n > -ff- . .Une telle relation -f permet de réduire les pertes résultant de la pénétration des jets dans le courant de vapeur et de la propagation du liquide dans la chambre de mélange 4, et à la sortie de cette chambre sont créées des conditions assurant les plus faibles pertes lors d'un saut de pression. La vapeur à haute humidité se détendant dans la buse 2 se mélange avec le liquide de condensation. Du fait que la profondeur de pénétration des jets de liquide dépend de l'angle X d'amenée du liquide et que le croisement de l'axe de la chambre de mélange par les jets et leurs collisions sont indésirables, on choisit un angle OC de faible valeur, égale à 15-250. Dans ce cas aussi,il est avantageux que la différence entre les composantes axiales des vitesses de la vapeur et du liquide à l'entrée dans la chambre de mélange 4 soit minimale, autrement dit, que la baisse des pertes dues aux chocs lors de lur mélange soit maximale. Gracie à l'amenée du liquide à travers les canaux 3, les jets de liquide pénètrent dans le courant biphasé et se fragmentent, ce qui contribue à une répartition plus régulière du liquide suivant les sections transversales de la chambre de mélange 4 et intensifie les processus de mélange et de condensation. Le rapport entre l'aire f de section de sortie de l'un des canaux 3 d'amenée du liquide et l'aire F1 de section de sortie de la buse à mélange vapeur-liquide 2 varie entre 0,0265 et 0,0275,et le rapport entre la longueur h de la chambre convergente 4 et son D + D diamètre équivalent D 2 est de ,15 à 6,3. En outre, pour 2 obtenir le rendement maximal de l'injecteur, on diminue l'aire F de section de sortie de la chambre de mélange 4, ce qui, toutefois, est limité par les conditions de démarrage de l'injecteur et par la relation entre l'aire F et l'aire f de section de sortie du canal 3. L'aire f de section de sortie de l'un des canaux 3 est déterminée d'après le diamètre d (figure 2). La phase vapeur se condense à la suite du mélange des courants accélérés de vapeur et de liquide dans l'injecteur. La fin de la condensation de la phase vapeur dans l'injecteur a lieu dans le goulot 6 (figure 1) du diffuseur 5 et s'accompagne d'une augxenSUAnBrutale et par sauts de la pression. Dans le diffuseur 5, la pression s'élève davantage : l'énergie cinétique du liquide se tranforme en énergie potentielle de pression. C'est pourquoi la pression du liquide arrivant à la sortie 10 de l'injecteur est supérieure à celle des courants à l'entrée 7 de l'injecteur.De plus, le liquide arrivant de la source 9 à un débit de plusieurs fois (2,5 à 10 fois) supérieur au débit à travers la buse à vapeur 2 de l'injecteur, s'échauffe dans la cambre de mélange 4 à la suite de l'interaction avec le courant vapeur-liquide débouchant de la buse 2, de sorte que sa température à la sortie 10 de l'injecteur consititue 50 à 90oC, la température dans la source9étant de 150C à 300C. Une partie de ce liquide chauffé, dont le débit est égal au débit du liquide passant par le collecteur 1, est envoyée à son entrée suivant la canalisation 13. L'autre partie du liquide, dont le débit est égal au débit du liquide arrivant de la source 9, est envoyée à l'utilisateur 11.Une petite partie du liquide ayant débouché de l'injecteur sous une haute pression peut être envoyée au mécanisme 12 d'orientation du collecteur 1, qui fait tourner celui-ci en accord avec la rotation diurne de la Terre. Pour augmenter davantage la montée de liteau, on utilise dans l'installation la pression du liquide à la sortie 10 de l'injecteur, constituant 0,5 à 1,5 MPa pour une pression du mélange vapeurLliquide en aval du collecteur 1 comprise entre 0,2 et 0,35 MPa. Le retour dans le collecteur 1 du liquide chauffé dans l'injecteur et dont le débit est réglé par la valve 16 assure un fonctionnement plus efficace du collecteur d'énergie solaire 1. Le démarrage de l'injecteur consiste à assurer une différence de pression dans la buse centrale 2 et une brusque hausse de la pression dans le goulot 6 du difuseur 5. Le démarrage s'effecute lorsque le canal convergentdivergent, situé dans le diaphragme 17 (figure 3), s'y trouve disposé de telle façon que sa partie cylindrique 18 constituant le goulot 6 du diffuseur 5 soit la parte à section de passage maximale. Le régie du fonctionnement de l'injecteur se fait en remplaçant, sans arrêt de l'installation, ledit canal par un canal avec un goulot 6 plus petit, autrement dit, par une partie cylindrique 18 d'une plus petite section. Le courant débouchant de la chambre de mélange 4 arrive d'abord dans la partie convergente 19 du canal, formant la partie terminale de la chambre convergente de mélange 4, ensuite dans le goulot 6 du diffuseur 5, où la pression croit brusquement, et puis dans le diffuseur 5. On remplace les canaux à l'aide de la tige 21 du mécanisme de déplacement du diaphragme 17. En cas d'utilisation d'un diaphragme 17 pivotant ou tournant,l'axe du canal nécessaire doit coIncider avec l'axe longitudinal 22 de l'injecteur. L'utilisation du diaphragme 17 comportant un ensemble de canaux convergents-divergents a permis de réaliser le démarrage de l'injecteur en modifiant les paramètres du régime, ce qui simplifie le démarrage. Le passage aux plus petits goulots 6 sans aucun arrêt élargit les limites de régulation. L'installation solaire pour le puisement de liquide est totalement autonome, ne nécessite aucune source auxiliaire d'énergie, et l'utilisation de l'injecteur en tant que système d'amenée de liquide permet d'élever le rendement de l'installation. R E V E N D I C A T I O N S 1. Installation solaire pour élever le liquide d'une source, du type comportant un collecteur d'énergie solaire (1) pour la productionfde vapeur, muni d'un mécanisme (12) pour son orientation, et un système de pompage du liquide, relié à la source de liquide (9) et à un utilisateur (11), caractérisi ence que le système de pompage du liquide est exécuté sous forme d'un injecteur à plusieurs jets comprenant une buse centrale (2) pour le mélange vapeur-liquide, reliée à la sortie du collecteur d'énergie solaire (1), des buses périphériques pour le liquide, communiquant avec la source de liquide (9), une chambre convergente de mélange (4) et un diffuseur (5) comportant un goulot (6) et dont la sortie est reliée à l'utilisateur (11), à l'entrée du collecteur d'énergie solaire (1) et au mécanisme (12) d'orientation dudit collecteur. 2. Installation solaire pour élever le liquide d'une source, conforme à la revendication 1, caractériséeen ce que les buses périphériques de l'injecteur à plusieurs jts sont formées par une série de canaux (3) disposés suivant la circonférence de l'ouverture de sortie de la buse centrale (2) pour le mélange vapeur-liquide, les dimensions de l'injecteur étant déterminées par les relations suivantes: rapport de l'aire de section de sortie de chaque canal (3) à l'aire de section de sortie de la buse centrale (2) - 0,0265 à 0,0275 ; longueur L de la chambre de mélange (4) comprise entre 6,15 et 6,3 fois son diamètre équivalent ; nombre de canaux (3) égal au rapport de l'aire de section de sortie de la chambre convergente de mélange(4)à l'are de section de sortie du canal (3). 3. Installation solaire conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractériséeen ce qu'elle comporte un diaphragme (17) pour la variation de la section du goulot (6) du diffuseur (5),monté de manière à pouvoir etre déplacé dans un plan perpendiculaire à l'axe longitudinal (22) de l'injecteur à plusieurs jets et comprenant au moins deux canaux convergents-divergents comportant des parties cylindriques respectives (18) de diamètre différent, dont chacune peut venir former, par déplacement du diaphragme (17), le goulot (6) du diffuseur (5) et qui sont disposées chacune entre une partie convergente (19) formant, dans laposition considérée du diaphragme (17), la partie terminale de la chambre convergente de mélange (4)et une partie divergente (20) formant, dans ladite position du diaphragme (17), la partie initiale du diffuseur (5).