Brevet FR2568321A1 — publié le 19860131

PROCEDE ET INSTALLATION D'EXPLOITATION DE L'ENERGIE POTENTIELLE D'UN LIQUIDE La présente invention concerne un procédé d'exploitation de l'énergie potentielle d'un liquide au profit d'un fluide a énergie moindre. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans certaines branches technologiques, par exemple dans les domaines de l'osmose inverse et de l'ultrafiltration, on doit souvent soumettre le fluide intéressé à une pression élevée qui corresponde aux impératifs du processus technologique en question. Or, dans bien des cas, une fraction importante du fluide sous haute pression, appelé ci-dessous aussi fluide charge", quitte l'installation, une fois le processus technologique achevé, et conserve une énergie potentielle considérable. Lorsqu'on retire le fluide charge, par étranglement, de l'installation afin de maintenir la pression, on doit accepter un gaspillage d'énergie important. Pour cette raison, il est souhaitable de pouvoir récupérer ou exploiter d'une manière quelconque l'énergie du fluide effluent. Selon une méthode classique, on résout ce problème comme suit: a) lorsque la pression désirée du fluide a été produite par une pompe à piston, on renvoie derrière le piston le fluide renfermant encore une quantité importante d'énergie potentielle, ce qui favorise l'établissement de la valeur de pression requise du fluide entrant. Cette solution présente de nombreux inconvénients. La pompe à piston ne pouvant fonctionner, dans ces conditions, que comme pompe à simple effet, ceci entraine un fonctionnement très peu souple et extrêmement sensible aux données volumétriques b) Généralement, on utilise des pompes centrifuges pour produire la pression requise dans les installations à forte capacité. Dans ce cas, l'énergie potentielle utilisable est récupérée à l'aide de turbines. Cette méthode est coûteuse, le contrôle du fonctionnement est délicat et complexe et, de plus, le rendement ainsi obtenu est relativement faible. En effet, dans ce cas, l'énergie potentielle exploitable doit d'abord être convertie en énergie cinétique, pour être ensuite reconvertie en énergie potentielle. Les solutions classiques proposées aux fins de récupération d'énergie n'utilisent en général que de manière incomplète des méthodes et moyens de régulation pour se contenter d'exercer simplement des fonctions accessoires ou de surveillance. La présente invention a pour but de proposer des moyens permettant d'exploiter l'énergie utilisable d'un liquide possédant de l'énergie potentielle -qui constitue, du point de vue des principes technologiques de base, une perte- au profit d'un autre liquide, en transférant l'éner- gie par une interaction directe des deux liquides. L'invention a également pour but de créer des moyens technologiques permettant de réaliser des économies d'énergie et de matériel en faisant en sorte qu'en raison de l'interaction directe des fluides sous haute pression et sous basse pression, respectivement, il ne soit pas nécessaire de recourir à des moyens de machinerie pour le transport du courant de fluide porteur de l'énergie de perte. L'application du procédé selon l'invention permet de faire fonctionner l'installation intéressée dans des conditions de sécurité accrue et de souplesse maximum, les effluents de l'installation étant constitués uniquement par des fluides sous basse pression. Ce procédé peut être mis en oeuvre à l'aide d'une installation de régulation (commande, réglage); une telle installation permet une exploitation optimum et un contrôle simple de la consommation d'énergie et de la qualité du produit. L'invention est basée sur la découverte du fait que lorsque, pendant l'interaction directe du fluide sous haute pression et du fluide sous basse pression, l'énergie potentielle du fluide sous haute pression est transmise au fluide sous basse pression, la pression de ce dernier augmente pour atteindre le niveau correspondant à celui de la technologie; on peut le faire circuler à l'aide d'une pompe de circulation à surpression, en appliquant des méthodes de régulation (commande, reglage) afin de favoriser la poursuite du processus et de maintenir efficacement les paramètres de fonctionnement-requis, Le procédé selon l'invention est caractérisé essentiellement par le fait que l'on met en contact réciproque direct ou indirect des fluides porteurs, respectivement, d'une énergie potentielle relativement élevée et d'une énergie relative faible, de sorte que l'énergie du fluide porteur d'énergie faible est augmentée par l'énergie potentielle, on évacue ensuite les -fluides, et on règle et/ou commande automatiquement le déroulement du processus. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux du procédé selon l'invention, on fait en sorte que les fluides s'écoulent à travers au moins deux systèmes commutables en alternance en les mettant en contact réciproque direct alors qu'ils s'écoulent de manière equicourante, ou en contact réciproque indirect alors qu'ils s'écoulent à contre-courant. Lors de la mise en oeuvre du procédé selon le mode utilisant l'écoulement équicourant des fluides, il est avantageux de créer un écoulement turbulent. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisée essentiellement en ce qu'elle constitue un système de régulation comportant un circuit de réglage du synchronisme des processus hydrauliques, un circuit de réglage du courant de fluide produit par la pompe de circulation à surpression, des organes d'actionnement des organes obturateurs, un système de contrôle des paramètres de fonctionnement, une unité centrale de commande et, le cas échéant, une unité d'affichage. L'invention sera décrite, ci-dessous, de manière plus détaillée, à titre-diSllustration, mais non de limitati-on, en référence aux figures annexées qui représentent l'application de l'invention à la filtration sous haute pression (ultrafiltration osmose inversée). - la figure 1 montre schématiquement le déroulement du processus impliquant un mode de mise en oeuvre de l'invention avec transmission d'énergie par contact direct enter les fluides; - la figure 2 représente schématiquement un mode de mise en oeuvre dans lequel l'énergie est transmise par contact indirect entres les fluides; - la figure 3 montre schématiquement l'installation de régulation utilisée lors de la mise en oeuvre de la solution selon la figure 1. Dans les deux modes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le fluide -dans le présent exemple, un fluide appelé a être soumis à filtration- est introduit en partie par la pompe d'alimentation à haute pression# 1 et en partie par la pompe d'alimentation à basse pression 2. Le fluide sous haute pression passe directement au bloc de filtration 7 pourvu d'un diaphragme, cependant que le fluide sous basse pression traverse l'organe obturateur 4.1 ouvert pour pénétrer directement dans la chambre tubulaire supérieure 5.1. Ainsi qu'il ressort clairement de la figure 1, une partie du fluide sous haute pression est filtrée par le diaphragme du bloc de filtration 7, et le filtrat résultant est évacué du système. L'autre partie du fluide sous haute pression, qui n'est pas filtrée (et qu'on appellera ci-après "le concentre") traverse l'organe obturateur 4.3 ouvert pour pénétrer-dans la chambre tubulaire inférieure 5.2, par l'action de la pompe de circulation 3 à surpression Le fluide sous basse pression pénétrant dans la chambre tubulaire 5.1 refoule le concentrat qui y avait été amené pendant la phase d'opération précédente, et le fait passer par l'organe obturateur 4.5, le concentré transmettant son énergie potentielle au fluide sous basse pression qui est mis en contact avec lui pendant la phase d'opération precedente. Dans la chambre tubulaire 5.2, le fluide sous haute pression arrivant entre en contact direct avec le fluide sous basse pression qui avait été amené lors de la phase d'opération précédente, et transmet à ce dernier son énergie potentielle. Le fluide à filtrer, qui est déjà sous haute pression, pénètre dans le bloc de filtration 7 à diaphragme en passant par l'organe obturateur 4.7 ouvert. Un atténuateur de pulsations 9 amortit les irrégularités pulsatoires de t'écoulement. La position de l'interface des fluides dans les deux chambres 5.1 et 5.2 est contrôlee par des sondes 6.1 ou 6.2 dont les signaux sont transmis à l'unité centrale de commande (28) (figure 3) qui détermine, à partir de ces signaux, le moment et l'ordre d'actionnement des organes obturateurs 4.1 à 4.8 en vue de la commutation des chambres 5.1 et 5.2. La commutation n'intervient que lorsque le concentré arrivant finit par occuper la totalité du volume de la chambre tubulaire 5020 La transmission d'énergie selon l'invention a ensuite lieu dans la chambre tubu- laire 5.1, cependant que la chambre tubulaire 5.2 reçoit nouveau du fluide sous basse pression qui, en raison des conditions résultant de la transmission d'énergie, refoule le concentre. Pendant la t#ransmission d'énergie par contact direct, les fluides s'écoulent de manière équicourante, c'est-à-dire dans une même direction, à travers les chambres tubulaires 5.1 et 5.2. Il est nettement avantageux de créer dans les chambres tubulaires 5.1 et 5.2 un écoule- ment fortement turbulent, car la profondeur de mélange à l'interface des deux fluides est alors faible. On a recours au mode de mise en oeuvre selon la figure 2 lorsque, pour des raisons technologiques ou autres, un contact direct entre les fluides soumis à l'échange d'énergie n'est pas possible. Dans ce cas, on dispose dans chacune des chambres tubulaires 5.1 et 5.2 un élément séparateur 10 qui se déplace dans la chambre tubulaire 5.1 ou 5.2 intéressé avec les fluides. Il est évident que, dans ce mode de réalisation, l'écoulement des fluides dans les chambres tubulaires 5.1 et 5.2 se fait à contrecourant. Par ailleurs, le deroulement du processus est le même, ici, que celui décrit ci-dessus en référence au mode de réalisation selon la figure 1. L'élément séparateur 10 peut être constitué par un système comportant un actuateur de pulsations; cet agencement permet d'éliminer les variations Be pression et les fluctuations de l'amenée des fluides. Les fonctions essentielles de l'installation de régulation représentée sur la figure 3 sont les suivantes: - commande du système forme par les organes obturateurs 4.1 à 4.8; - assurer le sychronisme des processus hydrauliques dans les cambres tubulaires 5.1 et 5.2 -- maint#ien d'une valeur constante de l'évacuation de concentre, ou ajustage flexible de celle-ci; - affichage des paranleres de fonctionnement; - contre des paramètres de fonctionnement du processus. Les organes obturateurs 4.1 à 4.8 sont associés à des organes d'actionnement 21.1 à 21.8 qui, en général, sont reliés mécaniquement aux organes obturateurs, selon le niveau de pression du processus Xechnologioue envisage, les organes dnactionnement commandent chacun soit un groupe d'organes obturateurs, soit un seul organe obturateur, à l'aide de moyens auxiliaires pneumatiques, hydrauliques ou électriques. En ce qui concerne la commande des organes obturateurs 4.1 à 4.8, il convient de respecter un ordre approprié de commutation, de façon telle que les fluides sous haute pression et sous basse pression ne soient mis en contact direct que pendant la période d'alimentation en énergie; par ailleurs, on doit faire en sorte que la capacité des chambres tubulaires 5.1 et 5.2 soit utilisée de manière optimale. La commande des organes obturateurs 4.1 à 4.8 est assurée par l'unité centrale de commande 28. Les sondes ou détecteurs de position 6.1 et 6.2 détectent la position de l'interface des deux fluides et fonctionnent sur la base du principe de la détection des variations des propriétés et/ou de la vitesse des fluides, en transmettant par l'intermédiaire des convertisseurs de mesure 15.1 ou 15.2 les signaux de commande à l'unité 28 et au régulateur 26 de synchronisation. Le circuit de réglage hydraulique assure l'écoulement synchronisé des fluides-dans les chambres tubulaires 5.1 et 5.2. Ce circuit comporte le régulateur 26, les circuits de mesure 6.1 - 15.1 et 6.2 - 15.2 formant organes de commande; l'organe d'actionnement 23 modifie à l'aide de l'organe de réglage 22 l'écoulement du fluide dans le circuit d'alimentation à basse pression. Ces derniers peuvent être remplacés par un régulateur électronique de la vitesse de rotation, raccorde à la pompe d'alimentation et faisant fonction d'organe d'actionnement, et par une pompe faisant fonction d'organe de réglage. La pompe de circulation 3 à surpression, faisant fonction de circuit de réglage du courant de fluide, maintient le taux d'évacuation du concentré à une valeur constante, ou bien en permet la modification flexible. Le circuit de réglage comprend le régulateur 27, le circuit volumétrique 16 faisant fonction de sonde ou détecteur, l'organe d'actionnement 23 modifiant par l'intermédiaire de l'organe de réglage 24 l'écoulement du fluide fourni par la pompe de circulation 3 à surpression. Les éléments 17, 18, 19, 20 et 30 sont des circuits de mesure de contrôle qui surveillent les paramètres technologiques et le fonctionnement des machines; ces éléments sont agences selon les données de l'application envisagée et sont relies à l'unité centrale de commande. L'unité centrale de commande 28 traite les signaux reçus et commande le système constitué par les organes obturateurs 4.1 à 4.8. L'unité 28 est avantageusement un dispositif électronique, et elle est reliée à l'unité d'affichage 29 qui permet le contrôle du déroulement du processus Il ressort de ce qui précède que le système comportant les chambres tubulaires 5.1 et 5.2, les conduites tubulaires associées, la pompe de circulation a surpression 3 et le bloc de filtration 7 constitue un système hydraulique fermé autonome dans lequel on fait pénétrer le liquide à filtrer, comme s'il passait par un sas, par l'effet de l'actionnement périodique des chambres tubulaires 5.1 et 5.2.L'écoulement du fluide dans ce système est déterminé exclusivement par la pompe de circulation 3 à surpression et les paramètres du circuit de régulation.- En modifiant la circulation, on peut faire varier à volonté, à l'intérieur de certaines limites prédéterminées, la quantité de concentré effluent. Le courant dans le circuit d'amenée de fluide sous basse pression "suit", grâce au régulateur de synchronisme 26, l'écoulement de circulation du fluide, et la période de commutation des organes obturateurs 4.1 a 4.8 est modifiée en conséquence. La pression statique requise pour le déroulement du processus décrit est produite par la pompe d'alimentation à haute pression qui ne refoule que la quantité correspondant au filtrat, sans avoir de l'in Fluente sur les processus d'écoulement dans le circuit sous haute pression. En mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus, on peut, sans nodification du débit de la pompe d'alimentation à haute pression 1, envoyer des quantités relativement grandes d eau franche en augmentant le dépit des pompes à basse pression 2 et 3s en raison du rinçage plus intensif, le taux de concentration du concentré est alors moins élevé, si vien qu;on peut obtenir une même quantité de filtrat pour une preux sion moindre, tout en réalisant ainsi une économie d#énergie. Les solutions proposées par la présente invention offrent notam- ment le avantages suivants: 1) L'invention permet d'exploiter l'énergie d'un fluide -provenant, le cas échéant d'un processus technologique, tel que filtration qui est porteur d'une quantité d'énergie potentielle excédentaire. De cette manière, on utilise de l'énergie non exploitable jusqu'à présent et considérée, par conséquent, comme de l'énergie perdue. 2) Le transfert d'énergie selon l'invention, entre les fluides intéressés, est effectue avec un rendement satisfaisant, étant donné que cette énergie n'est pas transformée, mais est transmise directement d'un fluide à l'autre. 3) La mise en oeuvre du procédé est simple, fiable et permet en elle même des économies d'énergie et de moyens. C'est ainsi qu'on a maintenant la possibilité, dans le domaine technologique de la filtration, de ne plus adapter la capacité de la pompe à haute pression a la proportion de- concentré. Par ailleurs, ni les données quantitatives des fluides participant au transfert d'éner gie, ni les conditions générales n'ont d'influence sur le deroule ment du processus en question. 4) L'installation de régulation selon l'invention permet une commande facile, un réglage adéquat propre a réduire les pertes d'énergie à un minimum, et un fonctionnement automatique. Dans les grandes installations, le processus peut être commande à l'aide d'un ordinateur. Bien-entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses modifications accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de ltesprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'exploitation de l'énergie potentielle d'un liquide au profit d'un liquide renfermant une quantité d'énergie moindre, caractérisé en ce qu'on met les deux liquides en contact réciproque direct ou indirect, en ce qu'on augmente pendant cette mise en contact l'énergie du liquide porteur d'une énergie moindre, après quoi l'on évacue lesdits liquides, cependant que ce processus est réglé ou commandé, le cas échéant automatiquement. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait passer les liquides pendant le transfert d'énergie à travers au moins deux systèmes fonctionnant de manière commutable en alternance. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les liquides mis en contact réciproque direct s'écoulent dans lesdits systèmes de manière équicourante. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on imprime auxdits liquides un écoulement turbulent pendant le transfert d'énergie. 5.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux liquides mis en contact réciproque indirect s'écoulent à contrecourant l'un par rapport à l'autre. 6.- Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte des chambres tubulaires (5.1, 5.2), des organes obturateurs (4.1 à 4.8) qui sont, de préférence au nombre de quatre par chambre tubulaire, une pompe d'alimentation sous basse pression (2), une pompe de circulation à surpression (3), le cas échéant au moins un atténuateur de pulsations (9), ainsi que des conduites tubulaires et des moyens de régulation. 7.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de régulation comportent un circuit de réglage du synchronisme, un circuit de réglage de l'écoulement de liquide à travers la pompe de circulation à surpression (3), des organes d'actionnement (21.1, 21.2, etc.) associés aux organes d'obturation (4.1, 4.2, etc.), un système de contrôle des paramètres de fonctionnement, une unité centrale de commande !28) et, le cas échéant, une unité d'affichage (29).