Brevet FR2564151A1 — publié le 19851115

ENSEMBLE DE DISPOSITIFS UTILISANT L'ENERGIE SOLAIRE POUR LE POMPAGE DE L'EAU OU AUTRES APPLICATIONS. L'utilisation de l'énergie solaire a été, et est, envisagée dans le cadre de nombreuses applications et en particulier pour la mise en mouvement d'éléments moteurs destines a assurer le pompage de -l'eau souterraine ou de l'eau de rivière, cette solution étant particulierement heureuse dans les regions a fort ensoleillement, dépourvues de sources d'énergie fossiles. Mais généralement de telles instailations s'avèrent peu rentables par suite d'un défaut de rendement général par rapport a l'investissement nécessaire pour l'organisation de la surface des capteurs compatible avec la somme d'énergie nécessaire pour le fonctionnement du système, car, si l'énergie consommée est gratuite, I'investissement de base est onéreux. L'ensemble de dispositifs objet de l'invention permet donc d'at- teindre un rendement élevé qui rend exploitable cette source d'énergie. Pour cela, un ensemble transformant l'énergie solaire en énergie mécanique, sans passer par le stade électrique, a été organisé de manière a assurer la meilleure conservation de l'énergie reçue, grâce une meilleure utilisation des calories dont sont porteurs les différents fluides utilisés, d'une part en soumettant le liquide moteur a un maximum de préchauffage, ce qui facilite sa vaporisation et sa surchauffe, et d'autre part en augmentant la différence de température entre la source chaude et la source froide pour accroître encore le rendement énergétique de l'ensemble. Pour cela, les vapeurs chaudes détendues s'échappant du groupe moteur traversent un échangeur primaire oû elles cèdent les calories au liquide admis dans l'évaporateur chauffé par l'énergie solaire, et, inversement, les calories résiduelles contenues encore dans ces mêmes vapeurs a la sortie de cet échangeur primaire sont absorbées par la source froide constituée par un condenseur traversé par l'eau a basse température extraite du forage par l'appareil même qui actionne une pompe immergée. Les caractéristiques de l'invention ressortiront aussi des détails que comportent différents accessoires qui concourent au résultat, tels qu'ils seront decrits. Les dessins annexés, donnés a titre d'exemple seulement, montrent un mode de réalisation du dispositif objet de l'invention. La figure 1 est une vue schématique de l'organisation d'ensemble des différents éléments. La figure 2 est une vue schématique en coupe verticale du distributeur a tiroir. La figure 3 est une vue schématique en coupe diamétrale de l'ensemble utilisé comme pompe immergée dans un forage. La figure 4 est une vue en coupe horizontale de cette pompe. La figure 5 est une vue schématique diamétrale de l'ensemble utilisé comme compresseur d'eau en vue d'alimenter le vérin moteur de la pompe. Tel qu'il est représente, L'ensemble de dispositifs objet de l'inven- tion, dont le but particulier est l'extraction de l'eau d'un forage, comporte une pompe a piston a double effet 1 immergée au fond du forage et mfle par un vérin-moteur à double effet 2 (figure 3) situé dans le prolongement de ladite pompe, a l'intérieur du forage et mis en mouvement par l'eau injectée sous pression a travers les conduites 45 et 46 au moyen du compresseur hydraulique a piston 3, â double effet, situé en surface et mfl par le vérin-moteur, a double effet, 4.Celui-ci reçoit la vapeur d'un liquide à basse température d'ébullition et tension de vapeur élevée, tel le chlorofluocarbone, a travers le distributeur 5 qui distribue la vapeur de ce gaz liquéfié simultanément au moteur 4 et au moteur a piston a double effet 6 qui met en mouvement le compresseur 7 qui injecte a la base de l'évaporateur 8 le gaz moteur redevenu liquide. La vapeur surchauffée ainsi produite est envoyée aux vérins-moteurs 4 et 6.Ce dernier commande le compresseur 7 qui reçoit le gaz moteur liquide qu'il aspire hors du condenseur 9 où les vapeurs de ce gaz liquéfié sont conduites après s'être detendues dans les organes moteurs et avoir cedé des calories résiduelles dans l'échangeur 10 au profit du gaz moteur liquide qui le traverse. avant d'être injecté dans l'évaporateur 8. Le condenseur 9 reçoit, comme source froide, I'eau du forage qui est pompée par le dispositif lui-meme et qui traverse ledit condenseur avant d'être dirigée vers le circuit d'utilisation a travers la conduite 11, une partie de cette eau pompée étant envoyée au compresseur hydraulique 3 pour assurer la transmission de l'énergie pour le fonctionnement de la pompe immergée 1. Le dispositif étant ainsi constitué, on comprend que le changement d'état du gaz moteur s'effectuera en cycle fermé dans les conditions de rendement optima, les calories reçues dans l'évaporateur 8 étant largement récupérées et utilisées avec un rendement énergétique élevé grace au maintien de la source froide à une température basse et constante par la circulation de l'eau pompée. En effet, le gaz moteur contenu à l'état liquide dans le condenseur 9 est aspiré suivant la conduite 12 par le compresseur 7, a double effet, qui l'injecte sous pression vers l'évaporateur 8 à travers l'échangeur primaire 10 alternativement suivant les canalisations 13, puis 63. Etant reçu à l'état liquide préchauffé à la base de l'évaporateur -S, le le gaz moteur reçoit à ce niveau les calories provenant du capteur solaire ou de toute source naturelle de chaleur (non représentée) et véhiculée par un liquide caloporteur approprié à travers la canalisation 14, ce dernier liquide tournant d la source chaude à travers la canalisation 15. La vapeur motrice ainsi produite et surchauffe est envoyée, a travers la canalisation 16 jusqu'au distributeur à tiroir 5, qui, selon les détails décrits ci-dessous, distribue alternativement à chacun des cotes des vérins-moteurs a double effet 4 et 6, et simultanémenl à ces deux moteurs, à travers les canalisations 17 et 18 qui forment l'alternative du moteur 4, et 19 et 20 qui forment l'alternative du moteur 6. Ces mêmes canalisations servent, pour chacun de ces moteurs alternativement d'arrivé de la vapeur et d'échappement après sa détente.Elle est alors ramenée au distributeur 5 qui l'achemine à travers la conduite 21 vers l'échangeur primaire 10 a l'intérieur duquel le gaz moteur liquide injecté par le compresseur 7 9 travers la conduite 13 bénéficie d'un pré-chauffage avant d'être envoyé sous pression à travers la conduite 14 à la base de l'évaporateur 8 du sommet duquel il sort par la conduite 16 a l'état de vapeur surchauffée. L'eau pompée dans le forage, amenée par la conduite 22, traverse le condenseur 9 dans lequel la vapeur motrice, amenée par la conduite 23, termine sa liquéfaction, puis a travers le clapet 24 atteint le répartiteur 25 qui alimente le compresseur d'eau 3 travers les conduites 26 et 27 et surtout achemine l'eau pompée vers l'utilisation à travers la canalisation Il Les clapets 28 et 29 situés a l'entrée du compresseur 3, sur les conduites 26 et 27, assurent le dégazage de l'eau introduite dans ce compresseur. Pour cela, ces derniers (non representés en détail) sont chacun constitués par une bille qui presente une densité légèrement supérieure à l'eau et nui est placée en dessous du siège qu'elle est capable d'obturer et à une très courte distance de celui-ci ; de sorte que, dans sa position de repos, ladite bille laisse le libre passage vers le haut à l'air qui peut etre contenu dans l'eau, lequel s'échappe vers la canalisation 11 d'utilisation, mais dès le début de la compression exercée dans le compresseur 3 la bille est aussitôt projetée contre son siege assurant l'étanchéité du système, la courte distance séparant la bille de son siège assurant l'instantanéité de la fermeture.Ce dispositif contribue au rendement du systeme en supprimant toute poche d'air qui pourrait se créer dans le circuit moteur d'eau comprimée assurant de ce fait la transmission intégrale de l'énergie reçue. C'est ainsi, par une organisation générale qui assure une récupération dans l'échangeur 10 des calories inutilisées dans le cycle moteur, qui assure aussi un écart de température élevé et constant entre la source chaude 8 et la source froide 9, et enfin qui assure un parfait dégazage du compresseur 3, que le rendement général de cet ensemble de dispositifs se trouve accru, assurant ainsi la rentabilité de l'investissement nécessaire pour l'établissement de grandes surfaces de capteurs solaires. Le fonctionnement de cet ensemble perfectionné comporte aussi certains aménagements, au niveau de ses composants, qui concourent à l'amélioration du rendement, tout en simplifiant la construction, donc en abaissant le prix de revient. C'est ainsi que, selon la figure 2, le distributeur à tiroir 5 est commandé, selon l'invention, par le coulisseau cylindrique 30 qui peut occuper deux positions déterminées par l'encliquetage dans les gorges 31 et 32 de la bille 33 sollicitée par le ressort 34, chacune de ces positions correspondant à une position du tiroir 35 qui met alternativement en communication avec l'échappement 21 les conduits 17 et 19 d'une part et 18, 20 d'autre part, le conduit 16 d'arrivée des vapeurs du fluide moteur étant ainsi mis réciproquement en relation avec les conduits 18, 20 puis avec les conduits 17, 19. Le coulisseau 30 est lui-meme manoeuvre par la tige 36 qui je traverse axialement, librement, et à chacune des extrémités de laquelle se trouvent les ressorts 37 et 38 retenus par les butées extrêmes 39 et 40. La butée 40 sert simultanément de liaison de la tige 3Ç S du compresseur 3 qui emerge de la culasse de ce dernier. On comprend alors que le piston du compresseur 3 entratnera la tige 36 dans son mouvement alternatif axial. Et le réglage de la longueur de cette tige est tel qu'à chaque approche des points morts extrèmes du piston du compresseur 3, I'un des ressorts 37 et 38 de la tige 36 vient alter-nativement prendre appui et se comprimer sur l'une des faces du coulisseau 30, jusqu'à ce que la pression ainsi exercée sur ledit coulisseau fasse sauter la bille 33 hors de la gorge où elle se trouve jusque dans la gorge voisine, provoquant le déplacement du tiroir 35, donc l'inversion du vérin-moteur 4 par l'inversion des conduites 17 et 18 et simultanement l'inversion du vérin-moteur 6 par l'inversion simultanée des conduites 19 et 20. D'autre part, en vue de simplifier la construction, la liaison de chaque verin-moteur avec le compresseur qu'il commande est organisée sans transmission rotative, chaque vérin-moteur, constitué par un piston a double effet étant aligné dans le prolongement de l'axe du compresseur ou de la pompe qu'il commande et qui est aussi constitué par une vérin à double effet. Cette disposition se retrouve dans la pompe immergée 1 (figure 3), dont l'organisation en ligne avec le verin-moteur 2 permet d'obtenir une pompe de grande capacité sous un très faible diamètre, ce qui autorise son introduction dans des forages profonds et étroits. Le groupe-pompe 1-2 est en effet constitué par deux vérins alignés selon le même axe, I'un constituant le vérin moteur 2, qui reçoit l'eau comprimée, et qui surmonte l'autre vérin qui constitue la pompe 1 elle-même. L'axe du piston 41 de ladite pompe prolonge l'axe du piston du vérin-moteur 42 à travers la culasse commune 43. L'ensemble est contenu dans la chemise concentrique 44 qui comporte un cloisonnement interieur selon ses génératrices de façon à former des canaux longitudinaux (figure 4) ; I'un, le 49, étant utilisé pour le refoulement du volume inférieur de la pompe, selon la flèche 47, dans son mouvement descendant, I'autre, le 50, étant utilisé pour l'aspiration de la pompe, selon la flèche 48, durant cette même phase de son mouvement, et le 51 étant utilisé pour l'acheminement de l'eau motrice injectée à la base du vérin-moteur 2 selon la fleche 52. Les clapets de la pompe 1, de retenue de l'aspiration 53 et 54 sont montés au sommet de l'ensemble. Et ses clapets 55 et 56 de retenue à la compression sont montés à la base de l'ensemble de façon à s'intégrer dans le volume général. Un tel ensemble peut aussi servir pour le pompage en rivière. Dans ce cas, la pompe et son vérin moteur à eau comprimée peuvent présenter un diametre quelconque, leur longueur étant determinee en proportion. On remarque que, dans l'une et l'autre de ces deux utilisations, le fluide moteur étant de l'eau, toute fuite qui surviendrait au niveau du passage de l'axe du piston 42 du verin, qui n'est autre que le prolongement de l'axe du piston 41 de la pompe, créerait une perte de rendement du systè me mais ne perturberait pas profondement son fonctionnement. Il en serait autrement si une telle fuite se manifestait entre le vérin moteur 4, dont le fluide moteur est la vapeur de chlorofluocarbone, et le compresseur d'eau 3. C'est pourquoi dans ce cas (figure 4) l'évent 57 est prévu pour faire com muniquer avec l'atmosphère ou avec un récipient special la zone 58 comprise entre les joints 59 et 60 traversés par l'axe commun des vérins 3 et 4. De plues, en vue d'assurer une parfaite sécurité de fonctionnement du système en toutes circonstances, chacune des canalisations 45 et 46, qui conduisent l'eau comprimée jusqu'au moteur 2 de la pompe 1, est munie d'une soupape de détente, telle que 61 et 62, tarée à une pression supérieure à la pression maxima necessaire pour le demarrage dudit moteur 2, de maniè- re à assurer, lors de la mise en route de l'appareil, I'evacuation de l'eau comprimee qui créerait une surpression dangereuse dans le cas où les pistons du moteur 2 et ceux du compresseur 3 qui l'alimente ne se trouveraient pas en phase, dans leur position de repos. L'invention n'est pas limite à l'exemple ou aux exemples qui en ont eté donnes, toute variante, considerée comme une équivalence, ne pouvant en modifier la portée. L'invention peut etre utilisée, en vue du pompage de l'eau dans des forages ou en rivière, ou toute autre utilisation, pour la transformation en énergie mecanique de l'énergie potentielle des sources calorifiques naturel les telles que l'énergie solaire en vue, par exemple, du pompage de l'eau des forages et des rivieres, ou toute autre application. Et elle peut être aussi bien utilisée pour la transformation en energie mécanique de l'énergie géothermique ou marethermique. REVENDICATIONS 1") - Ensemble de dispositifs permettant d'utiliser les énergies thermiques naturelles, telles que l'énergie solaire, pour des applications mecaniques telles que le pompage de l'eau des forages ou des rivières, ou autres applications, Caractérisé par le fait que le vérin (6) à double effet utilisé comme moteur actionne le compresseur à double effet (7) qui injecte sous pression un liquide à basse température d'ébullition et à tension de vapeur élevée, tel que le chlorofluocarbone, à l'intérieur de l'évaporateur (8) parcouru à contre courant par le fluide caloporteur qui véhicule les calories captées provenant de l'énergie solaire ou de toute autre source d'énergie naturelle, ledit fluide injecté parcourant ledit évaporateur (8) de bas en haut d'où il est conduit à l'état de vapeur surchauffée vers le distributeur (5) qui assure la distribution alternative de ladite vapeur sur chacune des faces simultanément du vérin-moteur (6) qui actionne le compresseur (7) d'injection dudit fluide et du vérin-moteur (4) qui actionne le compresseur hydraulique (3) qui distribue de l'eau sous pression dont l'énergie potentielle peut être absorbee par tout dispositif d'utilisation tel que la pompe à eau (1) ou tout autre, la vapeur ainsi detendue dans chacun des vérins-moteurs (4) et (6) étant envoyee par le même distributeur t5) à travers l'échangeur (10) où elle cède des calories résiduelles au liquide injecté dans l'évaporateur (3), le prechauffant, avant d'atteindre elle-meme le condenseur (9} traversé par l'eau de pompage, où ladite vapeur se lifquéfie et d'où elle est reprise par le compresseur (7) pour renouveler le cycle précédemment décrit. 2") - Ensemble de dispositifs selon la revendication 1, Caractérisé par le fait que le distributeur (5) comporte le tiroir (35) qui met alternativement le conduit (16) de vapeur sous pression, puis le conduit (21) d'échappement en relation avec successivement les conduits (17) et (19) puis (18) et (20) qui desservent s-nultanerilent les compresseurs (4) et (6), ledit tiroir étant commandé dans son mouvement alternatif par le coulisseau cylindrique (30) retenu dans une position déterminée par les billes (33), soumise chacune a leur ressort (34) et qui peuvent successivement s'encliqueter dans chacune des gorges (31) et (32) sous l'effet de la poussée exercee par i'un des ressorts de compression (37) et (38) entraînés par les butées (39) et (40) à chacune des extrémités de la tige (36) qui traverse axialement et librement ledit coulisseau (30), l'une des extrémités de ladite tige étant liée a l'axe du compresseur (3) d'injection d'eau, par la butée 40. 3 ) - Ensemble de dispositifs selon la revendication 2, Caracterise par le fait que l'accouplement de chaque vérin-moteur à double effet (4) et (6) avec chacun des vérins-compresseurs a double effet qu'il commande, y compris du vérin-moteur 2 avec la pompe 1, se fait coaxialement, les pistons du vérin-moteur et du verin commande etant dans chaque cas montés sur un même axe qui traverse une paroi commune aux organes associes. 4 ) - Ensemble de dispositifs selon la revendication 3, Caractérisé par le fait que la pompe immergée (1) destinee à être introduite dans un forage est constituée par les deux vérins à double effet (1) et (2) situés en prolongement l'un de l'autre, le verin-moteur (2) surmontant le verin-pompe (1), et les deux vérins ainsi organisés étant conte nus dans une enveloppe cylindrique commune (44) d'un diamètre inférieur au diamètre du forage, I'espace annulaire compris en la paroi des vérins et ladite enveloppe étant divisé radialement selon ses génératrices par des cloisons pour former des canaux longitudinaux, tels que (49), (50) et (51) destinés à conduire l'eau refoulée par la pompe dans son mouvement descendant selon la flèche (47), en ce qui concerne le canal (49) par exemple, et à conduire l'eau aspirée dans son mouvement descendant selon la flèche (48) puis refoulée dans son mouvement ascendant en ce qui concerne le canal (50), le canal (51), quant à lui, étant utilise pour l'alimentation en eau comprime du vérin moteur (2) dans son mouvement ascendant selon la flèche (52) ; les clapets (53) et(54) situes au sommet desdits canaux (49) et (50) assurant la retenue au cours des phases d'aspiration de la pompe (1), et les clapets (55) et (56) situés à la base des memes canaux assurant la retenue au cours des phases de refoulement de ladite pompe. 50) - Ensemble de dispositifs selon la revendication 4, Caractérisé par le fait que de l'eau refoulee par la pompe manoeu vree par le système est prélevée pour l'alimentation du compresseur-injecteur d'eau (3) à double effet, les clapets (28) et (29) situés verticalement à chacun ne des entrées dudit compresseur et s'opposant au retour de l'eau comprimée dans les canalisations (26) et (27) d'alimentation sont constitués par des billes qui presentent une densite legerement supérieure à l'eau et qui sont placées très proches du siège supérieur à elles sur lequel le mouvement de compression de l'eau les applique, I'espace ainsi laisse par elle dans leur position de repos permettant l'expulsion spontanée de l'air pouvant Stre conte- nu dans l'eau d'alimentation. 6 ) - Ensemble de dispositifs selon la revendication 5, Caractérisé par le fait qu'un event (57) est pratique dans la culasse commune au vérin-moteur (4), qui reçoit la vapeur motrice, et au compresseur hydraulique (3) qui met en communication avec l'atmosphère le canal (58) qui est compris entre les joints (59) et (60) qui assurent l'étanchéité entre le moteur (2) et la pompe (1) au passage de leur axe commun. 7 ) - Ensemble de dispositifs selon la revendication 6, Caractérisé par le fait que les canalisations (45) et (46) qui relient le compresseur (3) et le moteur (2), qu'il alimente en eau comprimée, sont chacune munie d'une soupape de detente, telles que (61) et (62) tarée à une pression supérieure à la pression maxima nécessaire pour le démarrage dudit moteur (2).