Brevet FR2575815A1 — publié le 19860711

Condenseur par mélange à faible pincement, notamment pour instal- lations d'énergie thermique des mers La présente invention concerne un condenseur par mélange à fai- ble pincement, notamment pour installations d'énergie thermique des mers. Une telle installation comprend essentiellement un évaporateur alimenté en eau chaude de surface, une turbine à vapeur, un condenseur alimenté en eau froide des profondeurs. Le pincement au condenseur, c'est-à-dire la différence de température entre la vapeur en provenance de la turbine et l'eau réchauffée sortant du condenseur, doit être le plus faible possible, afin d'utiliser au maximum la différence de température existant entre l'eau chaude et - l'eau froide. Cette exigence conduit à s'orienter vers un condenseur du type à contrecourant, dans lequel l'eau s'écoule par gravité de haut en bas en se réchauffant méthodiquement, tandis que la vapeur s'écoule de bas en haut en se condensant progressivement. Un condenseur connu est de forme cylindrique et comporte une série de plateaux pleins régulièrement espacés, de forme annulaire, équipés ohacun d'un déversoir circulaire sur le diamètre intérieur de l'anneau. Entre chaque plateau est disposé un déflecteur conique de diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du plateau. Sur chaque plateau annulaire, l'eau froide s'écoule radialement vers l'axe du condenseur, franchit le déversoir circulaire en formant une cascade; elle tombe sur le déflecteur placé au-dessous. Elle s'écoule alors vers la paroi en formant une deuxième cascade qui alimente le plateau inférieur et ainsi de suite. La vapeur s'écoule de bas en haut en traversant successivement les cascades dans un sens, puis dans l'autre sens. Les performances de ce type d'appareil sont limitées; on constate en effet les inconvénients suivants: - Le pincement est relativement élevé, au minimum 30C. - La hauteur du condenseur est importante: 3 à 4 mètres. - La puissance thermique est limitée, la capacité des appareils usuels variant de 5 à 20 tonnes/heure de vapeur à condenser. - 2 - La présente invention a pour but de réaliser un condenseur plus performant et plus compact que les condenseurs connus précédemment définis. La présente invention a pour objet un condenseur par mélange, destiné notamment à une installation d'énergie thermique des mers, comprenant: - une enceinte maintenue sous pression réduite, - des moyens pour introduire à la partie inférieure de cette enceinte de la vapeur issue d'un évaporateur et la guider du bas vers le haut de l'enceinte, des moyens pour introduire de l'eau froide à la partie supérieure de l'enceinte et la faire couler en cascades de jets vers la partie inférieure, de manière que la vapeur-et l'eau réalisent un mélange dit à contre-courant croisé. Un tel condenseur est caractérisé par le fait que lesdits moyens pour réaliser lesdites cascades d'eau comprennent des séries de plateaux rectangulaires perforés, disposés les uns au-dessus des autres, et régulièrement espacés, chaque série de plateaux étant divisée en tronçons tels que le nombre de plateaux par tronçon diminue de bas en haut, de façon que la section d'écoulement de la vapeur diminue de bas en haut, ce qui assure le maintien de la vitesse de la vapeur et le balayage des incondensables en tous les points de ladite enceinte. Ainsi, le volume compris entre deux plateaux successifs est parallélépipédique; les perforations de ces deux plateaux permettent de définir une cascade formée de plusieurs rangées de jets d'eau. La largeur d'un plateau (ou d'une cascade) est choisie de manière qu'elle n'entratne pas une trop grande perte de charge pour la vapeur, mais elle doit être suffisante pour assurer le balayage des éléments incon- densables, compte-tenu de la vitesse d'entrée de la vapeur. Les perforations de deux rangées voisines sur un même plateau sont de préférence disposées en quinconce. Selon un mode de réalisation préférentiel permettant de limiter le nombre des parois à l'intérieur de l'enceinte pour le guidage de la vapeur, chaque série de plateaux rectangulaires définit un demi-faisceau et est associée à un autre demi-faisceau, ces deux - 3 - demi-faisceaux étant symétriques par rapport à un plan parallèle à tous les grands c8tés des plateaux qui les composent. La vapeur est introduite suivant les deux faces latérales externes du faisceau résultant. Dans les cas avantageux o le nombre de tronçons d'un faisceau est impair, ledit extracteur est prévu au niveau supérieur dans le plan de symétrie de ce faisceau. Le plateau supérieur du faisceau est de préférence unitaire et recouvre les deux demi-faisceaux correspondants; il comprend une série de zones perforées trapézoïdales symétriques par rapport audit plan de symétrie du faisceau, les grandes bases des trapèzes étant situées sur les faces externes du faisceau, et la partie centrale desdites zones définissant des cheminées pour la sortie des éléments incondensables vers ledit extracteur. Un condenseur selon l'invention peut comporter un grand nombre de faisceaux tels que définis ci-dessus, ces faisceaux étant réguliè- rement répartis autour d'une arrivée centrale de vapeur, leurs plans de symétrie étant sensiblement parallèles à la direction de la vitesse d'entrée de la vapeur entre deux faisceaux. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisa- tion donnés à titre d'exemple illustratif mais non limitatif. Dans le dessin annexé: - la figure 1 est une vue partielle schématique en coupe d'un exemple de faisceau d'un condenseur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique de dessus d'un plateau intermédiaire appartenant au faisceau de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique de dessus du plateau supérieur appartenant au faisceau de la figure 1, - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3. - la figure 5 est une vue de dessus très schématique d'un condenseur comportant plusieurs éléments conformes à celui de la figure 1. On voit dans la figure 1 un schéma du faisceau selon l'invention. Il présente un plan de symétrie 18 orthogonal au plan de figure. Il est placé dans une enceinte 10 maintenue sous un vide, par -4 - exemple de l'ordre de 12 mbar absolu, comportant une entrée 14 pour la vapeur 20 à sa partie inférieure, et une entrée 15 pour l'eau froide 21 à sa partie supérieure. On a référencé 16 la sortie vers un extracteur d'air. L'enceinte 10 contient deux séries de plateaux perforés rectangulaires 11, disposées symétriquement par rapport au plan 18. Ils sont regroupés par tronçons 12, 13, 9, et forment un faisceau. La figure 2 montre en vue de dessus deux plateaux 11 faisant partie du faisceau de la figure 1. A titre d'exemple, on a prévu des plateaux 11 d'épaisseur 10 mm avec des rangées de trous de diamètre 6 mm et un entraxe de 12 mm. Les trous de deux rangées voisines sont de préférence disposés en quinconce. Pour un plateau de largeur 110 mm environ, on prévoit une dizaine de rangées de trous. La longueur des plateaux est choisie en fonction du débit d'eau utilisé. Les bords 23, 24 des plateaux il forment gouttières de manière à garder un niveau d'eau de quelques centimètres au-dessus de la surface des plateaux. L'intervalle entre les plateaux est de 30 cm. On réalise done ainsi entre deux plateaux 11 successifs une cascade parallélépipédique formée de jets en quinconce, la vapeur 20 traversant ces jets successivement dans un sens puis dans l'autre. Une telle disposition présente des avantages considérables vis-à-vis des cascades annulaires de jets. Dans la disposition annulaire la vapeur a un volume d'eau à traverser croissant avec le diamètre de l'anneau, ce qui conduit à des pertes de charges prohibitives. Selon l'invention, on peut choisir aisément la largeur du plateau, c'est-à-dire la profondeur de la cascade et le nombre de rangées de jets pour que la perte de charge de la vapeur ait une valeur acceptable. A titre d'exemple, avec'une pression absolue de 13 mbar, et pour une vitesse initiale maximale de la vapeur de 50 mètres/secondes, on évalue le taux de condensation dans le tronçon 12 à 50% environ et une perte de pression de 0,5 à 0,7 mbar avec dix rangées de jets. Par ailleurs, la disposition des jets en quinconce est la plus appropriée pour éviter les chemins préférentiels de vapeur entre les jets; elle permet également une diffusion turbulente de la vapeur et - 5- un balayage des éléments incondensables. Selon une autre caractéristique de l'invention, les cascades sont regroupées en tronçons comportant un nombre décroissant de cascades de bas en haut. Le tronçon inférieur 12 comprend cinq cascades alimentées en parallèle par la vapeur 20 dans lesquelles environ la moitié de la vapeur initiale se condense. Le tronçon médian 13 ne comprend que trois cascades et le tronçon supérieur 9 une. La section d'écoulement de la vapeur diminue donc de bas en haut, ce qui assure le maintien de la vitesse de la vapeur compte tenu de la conden- sation. Les études expérimentales entreprises ont mis en évidence le rôle déterminant des tronçons à section d'écoulement décroissante. Un faisceau, équipé de quatre tronçons superposés, à nombre décroissant de cascades de bas en haut, a donné lieu, sous une pression absolue de 30 millibar, à un pincement minimum résultant, variant de 0,2 à 0,5 C selon le débit d'eau. Le faisceau, amputé des 2 tronçons supérieurs a donné lieu, dans les mêmes conditions, à un pincement variant de 1,9 à 2,5 C. Le plateau supérieur d'alimentation en eau 17 a une forme différente de celle des plateaux 11; il est visible schématiquement en vue de dessus dans la figure 3 et en coupe dans la figure 4. Il s'agit d'un plateau plein, présentant des perforations dans des zones trapézoidales 26, 27 symétriques par rapport au plan 18. Les cascades 31 qui résultent de ces perforations sont telles que la section d'écou- lement de la vapeur diminue de l'amont vers l'aval. Le plateau 17 est traversé par des cheminées centrales 28 pour la sortie des éléments incondensables vers l'extracteur 16. On remarque que, dans le faisceau apparaissant dans la figure 1, la vapeur pénètre les cascades d'alimentation par les- deux faces externes du faisceau et ressort par les deux faces internes, dans une zone centrale vers le tronçon 13. Dans un tel condenseur de hauteur totale 2,40 m, la température de l'eau froide initialement à 4 C augmente de 60C, et la différence de température entre la vapeur à l'entrée et l'eau réchauffée à la sortie n'est que de 1,3 C. On a donc amélioré de manière importante les - 6 - performances des condenseurs de l'art antérieur. La figure 5 est une vue de dessus très schématique d'une instal- lation comportant un grand nombre de faisceaux 2 analogues à celui de la figure 1. Ils sont arrangés dans une structure hexagonale avec une arrivée centrale 1 pour la vapeur 3. Les flèches indiquent les directions de propagation de cette vapeur. Les faisceaux 2 sont disposés de façon que leurs plans de symétrie 2 soient sensiblement parallèles aux directions 3. Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention modifier notamment le diamètre des perforations des plateaux la longueur des jets, la hauteur d'eau dispersée sur chaque plateau, la distance sépa- rant deux plateaux consécutifs. On pourra également faire fonctionner le condenseur par mélange dans des conditions de température et de pression nettement supérieures à celles de l'énergie thermique des mers. A titre d'exemple, un condenseur selon l'invention alimenté avec de l'eau à 19 C sous une pression absolue de 30 mbars environ conduit à un pincement de 0,5 C. -7- REVENDICATIONS 1/ Condenseur par mélange, destiné notamment à une installation d'énergie thermique des mers, comprenant: - une enceinte maintenue sous pression réduite, - des moyens pour introduire à la partie inférieure de cette enceinte de la vapeur issue d'un évaporateur et la guider du bas vers le haut de l'enceinte, - des moyens pour introduire de l'eau froide à la partie supérieure de l'enceinte et la faire couler en cascades de jets vers la partie inférieure, de manière que la vapeur et l'eau réalisent un mélange dit "à contre-courant croisé", condenseur caractérisé par le fait que les moyens pour réaiiser lesdites cascades de jets comprennent des séries de plateaux rectangu- laires perforés, disposés les uns au-dessus des autres et régulièrement espacés, chaque série de plateaux étant divisée en tronçons tels que le nombre de plateaux par tronçon diminue de bas en haut, de façon que la section d'écoulement de la vapeur diminue de bas en haut. 2/ Condenseur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque série de plateaux rectangulaires définit un demi-faisceau et qu'elle est associée à un autre demi-faisceau, ces demi-faisceaux étant symétriques par rapport à un plan parallèle à leurs grands c8tés. 3/ Condenseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le nombre de tronçons de chaque-faisceau est impair. 4/ Condenseur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par le fait que le plateau supérieur de chacun desdits faisceaux est plein, commun aux deux demi-faisceaux correspondants et comporte des zones trapézoidales perforées, avec des cheminées centrales pour le passage des éléments incondensables vers ledit extracteur. 5/ Condenseur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que lesdits faisceaux sont répartis régulièrement autour de l'arrivée de vapeur, ledit plan de symétrie étant sensiblement parallèle à la direction de la vitesse d'entrée de ladite vapeur. 6/ Condenseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les perforations de deux rangées voisines sur un même plateau sont arrangées en quinconce.