Brevet FR2535030A1 — publié le 19840427

La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'absorption de chaleur depuis un fond marin ou un lieu analogue, où la chaleur du fond est extraite au travers d'une conduite par un fluide de travail en écoulement. Les dispositifs d'absorption de chialeur, tels que les installations de pompes à chaleur visant à la récupération de l'énergie thermique dégradée de la mer, nécessitent normalement de grands investissements en capitaux eu égard à la quantité d'énergie pouvant entre recueillie. Pour réduire ces coût dans la plus grande mesure possible, il faut concevoir des structures simplesen matériaux peu motteux. Les conduites et les moyens analogues destinés à l'absorption et au transport de la chaleur sont normalement fabriqués en matières plastiques. Un problème qui se pose habituellement avec des conduites de ce type déposées dans des lacs et des cours d'eau est le risque de formation de glace sur les conduites pendant l'hiver. Pour empêcher que les conduites ne remontent à la surface, il faut donc les ancrer sur le fond marin, ce qui implique des dépenses supplémentaires. L'invention a pour but de permettre de déposer librement une conduite, par exemple sur un fond marin, à un faible coût et de manière simple, sans risque que la conduite ne remonte à la surface à cause de la formation de glace. Pour réaliser son but, l'invention propose un procédé d'absorption de chaleur depuis un fond marin, où la chaleur de la région du fond est extraite au travers d'une conduite par un fluide de travail en écoulement, le procédé se distinguant en ce que la section droite d'écoulement du fluide est thermiquement isolée vis-à-vis de l'eau environnante, ainsi qu'une conduite, mettant en oeuvre le procédé, qui comprend une section droite présentant une partie d'écoulement sensiblement inférieure et une ou plusieurs parties supérieures qui isolent thermiquement vis-b- vis de l'eau environnante.La formation de glace sur la conduite est ainsi empêchée, ou bien en tout cas limitée à une partie inférieure de la conduite, de sorte que cette partie peut se prendre en gel avec le fond avant que la conduite ait tendance à remonter à la surface par suite de la formation de la glace. L'isolation thermique peut être réalisée plus précisément en ce qu'un écoulement laminaire, présentant une petite convection de chaleur perpendiculairement à la direction d'écoulement, est conféré par des mesures appropriées au fluide dans une ou plusieurs parties de la section droite d'écoulement, lesquelles parties sont de préférence situées vers le haut et au voisinage de l'eau environnante, tandis que l'écoulement du fluide dans la section droite restante est turbulent, cet écoulement turbulent étant le siège d'une grande convection de chaleur perpendiculairement à la direction d'écoulement. Cette division de l'écoulement est obtenue par le fait que la section droite de la conduite présente une ou plusieurs parties étroites, qui sont disposées vers le haut, et une partie large, qui est disposée vers le bas. Dans les parties étroites, la longueur caractéristique et le débit de la relation de Reynold (le nombre de Reynold est le produit du débit par la longueur caracté risque, que divise la viscosité cinématique) sont respectivement petit et faible, ce qui conduit à un nombre de Reynold faible, si bien que l'écoulement reste laminaire dans les parties étroites, même pour un écoulement qui donne naissance à la turbulence dans la partie large restante de la section droite. La description suivante, conçues titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une -meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est une section d'une conduite selon l'invention, laquelle se prend en gel avec un fond marin en hiver; - les figures 2 et 3 sont respectivement une section droite et une coupe longitudinale d'une conduite selon la figure 1; et - la figure 4 est une section droite d'une conduite selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La conduite 10 selon l'invention est destinée à être placée de manière connue au fond d'un lac, d'une rivière, d'une baie, ou en un lieu analogue. Du fond et de l'eau environnante, de la chaleur est extraite par un fluide de travail, par exemple une solution aqueuse de chlorure de calcium, laquelle circule en circuit dans la conduite'et transporte la chaleur jusqu'S un dispositif d'absorption de chaleur, par exemple une pompe à chaleur, ou un moyen analogue. La conduite présentée sur les figures 1 à 3 comprend un tuyau extérieur ll et un tuyau intérieur 12, tous deux pouvant- être fabriqués en une matière plastique appropriée quelconque, par exemple du polyéthylène de haute ou basse densité Le tuyau intérieur 12, dont le diamètre est environ egal ou quelque peu supérieur à la moitié du diamètre du tuyau externe, se trouve,en position de travail, en appui sur la surface interne supérieure du tuyau externe par un phénomène de flottaison.Dans le mode de réalisation representé, la flottaison est obtenue par le fait que le tuyau intérieur est ondulé, si bien que des bulles d'air provenant du fluide de travail ou du tuyau interne lui-meme initialement rempli d'air, sont attrapées dans les ondulations 13 des parties supérieure du tuyau interne, comme le montre la figure 3, si bien que le tuyau interne se trouve toujours dans une position supérieure du tuyau externe Il, par suite de la flottaison des bulles d'air 14. Le tuyau interne peut être un tuyau ondulé mince, par exemple du type tuyau de protection de câble. La flottaison nécessaire peut également être obtenue à l'aide d'une ligne flottante (non représentée) qui est tirée au.travers d'un tuyau interne lisse non ondulé. Le fluide transporté ne circule que dans la section droite de conduite qui est extérieure au tuyau interne 12; ce der- nier est de préférence fermé à au moins une extrémité et ne doit pas nécessairement store entièrement étanche, une certaine rentrée du fluide circulant étant admissible. A cause du fait que le tuyau interne 12 est place en position supérieure dans la conduite, il est obtenu une section droite d'écoulement qui présente deux parties étroites 15 situées vers le haut sur les cotés du tuyau interne, et une partie large 16, qui est définie approximativement (en fonction du débit et du rapport du diamètre) par les lignes en trait interrompu de la figure 2. Lors de l'écoulement dans la conduite, le débit et la longueur caractéristique de la relation de Reynold ci-dessus mentionnés seront respectivement plus faible et plues petite dans les parties étroites 15 que dans la partie large 16. Par suite, un écoulement laminaire peut être maintenu dans les parties étroites pour un débit entraînant, dans la partie large, un écoulement turbulent. Dans l'écoulement laminaire, il n'y a pas de transport de matière perpendiculairement à la direction d'écoulement et, par conséquent, aucune chaleur n'est transportée perpendiculairement à la direction d'écoulement. Ceci implique que le fluide se trouvant dans les parties supérieures 15 réalise une isolation thermique partielle de la partie inférieure 16 (où il existe un écoulement turbulent et une importante convection de chaleur perpendiculairement à la direction d'écoulement) vis-à-vis de l'eau environnante. On peut également imaginer de réaliser la division entre écoulement laminaire et écoulement turbulent au moyen d'un tuyau présentant une surface interne lisse dans sa partie supérieure et une surface interne rugueuse dans sa partie inférieure. En hiver, lorsque la température du fond, particulièrement en eau peu profonde, peut être proche de zéro, il se forme de la glace sur les conduites immergées, car le fond et l'eau environnante sont localement refroidis par suite de l'extraction de chaleur par le fluide de travail en écoulement. Non seulement la formation de cette glace détériore l'absorption de chaleur, mais elle entraîne également le risque qu'une conduite déposée librement ne remonte à la surface avec la-glace, qui présente une densité inférieure à celle de l'eau. Les parties supérieures 15 de la conduite isolent ltecoulement de fluide de travail turbulent froid s'effectuant dans la partie inférieure 16 vis-à-vis de l'eau environnante se trouvant au-dessus du tuyau externe 11. Par suite de l'écoulement du fluide de travail froid dans la partie inférieure 16, la surface externe inférieure du tuyau externe 11 sera plus froide que sa surface externe supérieure. Ainsi, pour une basse température du fond marin, la glace 17 ne se forme que dans la zone inférieure du tuyau externe, comme cela est sensiblement présenté sur la figure , Si bien que cette zone se prend en gel avec le fond 18 du cours d'eau. L'isolation thermique nécessaire peut etre ajustée de manière simple pour s'accorder avec la température d'eau prévu lante par le fait que l'on peut faire varier l'étendue des parties laminaires 15 en modifiant le débit. Avec un débit élevé, la partie turbulente 16 peut être amenée à prendre la plus grande partie de la section droite d'écoulement, avec un risque réduit ou nul de formation de glace. Dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, le fluide de travail qui reste immobile dans le tuyau interne 12 contribue dans une certaine mesure à l'isolation thermique vis-3-vis de l'eau environnante. Ci-après, il est décrit un autre mode de réalisation possible qui n'utilise que ce type d'isolation. Sur la figure 4, est présentée une section droite d'une conduite qui est partiellement isolée thermiquement vers le haut et sur les catés. Le tuyau externe 19 est du même type que le tuyau externe 11 des figures 1 à 3, tandis que le tuyau interne isolant 20 consiste en un tuyau mou de basse densité. Le tuyau interne 20, qui, dans son état initial, a un diamètre légèrement plus petit que le tuyau externe 19, se déforme sous l'effet de la pression du fluide de travail et prend sensiblement la forme d'une saucisse lorsque la conduite se remplit. La section droite 21 du tuyau interne 20 déforme, comme la section droite du tuyau interne 12, peut être remplie au moyen du fluide de travail restant immobile, ou bien elle peut entre parcourue par un écoulement laminaire. Dans les deux cas, il est obtenu une petite partie convective du transfert de chaleur de l'eau à l'écoulement de fluide turbulent dans section droite 22, si bien que cette section droite assure l'isolation thermique partielle vis-A-vis de l'eau environnante, en produisant un effet analogue à celui de la conduite des figures 1 3 3. Les modes de réalisation décrits ci-dessus peuvent être modifiés de nombreuses manières différentes. Par exemple, le tuyau interne peut être remplacé par un corps cylindrique oblong fait d'un matériau poreux qui flotte sur le fluide de travail. L'isolation peut également être réalisée par une couche de matériau d'isolation appliquée sur la surface supérieure interne ou externe du tuyau extérieur 11. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du procédé et du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'absorption de chaleur depuis un fond marin ou un lieu analogue, où de la chaleur de la région du fond est extraite au travers d'une conduite par un fluide de travail en écoulement, caractérisé en ce que la section droite d'écoulement du fluide est thermiquement isolée vis-A-vis de l'eau environnante. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, tout au long de la conduite, le fluide est astreint à demeurer immobile ou se voit conférer un écoulement laminaire dans une ou plusieurs parties de la section droite d'écoulement voisines de l'eau, tandis qu'un écoulement turbulent a lieu dans la partie restante de la section droite d'écoulement. 3 u Conduite permettant de mettre en oeuvre le procédé défini dans la revendication 1 ou 2, et conçue pour être placée sur un fond marin ou un lieu analogue et parcourue par un fluide de travail absorbant la chaleur, caractériséeen ce que la conduite (10) comprend une section droite présentant une partie d'écoulement sensiblement inférieure (16) et une ou plusieurs parties supérieures (15) qui assurent une isolation thermique vis-à-vis de l'eau environnante. 4 - Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'au moins une des parties supérieures consiste en une partie d'écoulement supplémentaire resserrée. 5 - Conduite selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un tuyau extérieur (11; 19) de section droite circulaire et un corps cylindrique oblong (12; 20) de plus petit diamètre qui est disposé vers le haut dans le tuyau extérieur. 6 - Conduite selon la revendication 5, caractérisée en ce que le corps est en appui contre la surface interne supérieure du tuyau extérieur par un effet de flottaison, 7 - Conduite selon la revendication 6, caractérisée en ce que le corps consiste en un tuyau intérieur (12), dont la surface interne est conçue, par l'existence d'ondulations (13) ou de moyens analogues, pour attraper et retenir des bulles de gaz. 8 - Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce que la partie supérieure constitue une surface interne d'un tuyau intérieur (20) en matériau souple inséré dans un tuyau ex té- rieur (19), la section droite du tuyau intérieur étant déformée par en dessous en une section droite sensiblement en forme de saucisse qui est en appui contre le côté interne supérieur du tuyau ext6- rieur. 9 - Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend, vers le haut, une couche de matériau d'iso latin, qui est appliquée vers l'intérieur ou vers l'extérieur. 10 - Conduite selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend une surface interne lisse située vers le haut et une surface interne rugueuse située vers le bas.