Brevet FR2621647A1 — publié le 19890414

Installation pour le refroidissement de mines profondes La présente invention concerne une installation pour le refroidissement de mines profondes. Le refroidissement des mines très profondes nécessite des systèmes de refroidissement poussés. Actuellement, par exemple en Afrique du Sud où les mines peuvent atteindre 3000 mètres de profondeur, un système connu pour le refroidissement de mines consiste à fabriquer de l'eau froide en surface à une température voisine de OOC par des machines frigorifiques puis à la descendre au fond en plusieurs paliers où chaque fois l'eau est turbinée, ce qui permet de récupérer de l'énergie et de ramener la pression à 1 bar. Au fond, l'eau à 1 bar et à environ 1,5 à 20C, passe dans divers échangeurs, est utilisée pour arroser les parois etc... et est ensuite récupérée à environ 260, filtrée, et remontée par paliers en surface au moyen de pompes. En surface, l'eau est refroidie et recyclée. La température au fond de la mine est maintenue à 280 C. Ce système a pour inconvénient d'exiger de très grands débits d'eau, de nécessiter des machines et des pompes dispersées à plusieurs niveaux. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et a pour objet une installation pour le refroidissement d'une mine profonde comprenant des conduites de descente alimentées en eau depuis la surface, caractérisée en ce que la descente de l'eau est réalisée par paliers, les conduites aboutissant à chaque palier à un réservoir de décompression, en ce qu'après le dernier palier, le circuit est muni d'un organe d'étranglement à ouverture réglable suivi d'un évaporateur d'eau, la vapeur étant ensuite remontée en surface par des conduites, puis détendue dans une turbine dont l'échappement est dirigé vers des moyens de condensation, ledit évaporateur du fond de mine puisant ses calories dans le condenseur d'une machine frigorifique située au fond. Selon une autre caractéristique, l'installation comporte en outre, situé au fond de la mise, après ledit évaporateur, un ensemble de compression, avant les conduites de remontée. L'installation comporte en outre avantageusement un réchauffeur situé entre ledit organe à ouverture réglable et ledit évaporateur, ledit réchauffeur puisant ses calories dans un sous-refroidisseur situé dans le circuit de ladite machine frigorifique située au fond. Selon une réalisation préférée, ladite machine frigorifique comporte un évaporateur puisant ses calories dans un échangeur appartenant à un circuit d'eau d'exploitation situé au fond formant un circuit en boucle fermée. Selon une autre caractéristique, un piquage est effectué en amont dudit évaporateur vers des désurchauffeurs situés après les étages de compression dudit ensemble de compression. Selon une réalisation particulière, lesdits moyens de condensation comprennent un ballon de condensation par mélange de la vapeur à condenser à l'échappement de la turbine avec de l'eau en provenance de la base d'une tour de réfrigération alimentée en eau à sa partie supérieure par la sortie dudit ballon de condensation par mélange. Un condenseur à surface peut constituer une variante de ces moyens de condensation. On va maintenant donner la description d'un exemple particulier de mise en oeuvre de l'invention en se référant au dessin annexé comportant une figure unique représentant schématiquement une installation pour le refroidissement d'une mine. L'exemple choisi est par exemple une mine de 3000 mètres de profondeur au fond de laquelle on maintient une température de 280 C. L'ensemble comprend des conduites 1, 2 alimentées depuis la surface en eau par exemple à 170 et avec un débit de 5,35 kg/s. La première conduite descend jusqu'à un premier palier situé à 1500 mètres, où elle aboutit, après une première vanne de décompression 3 à un premier réservoir de décompression 4 ou l'eau est remise à la pression atmosphérique ambiante. De ce premier réservoir 4, on repart dans la conduite 2 jusqu'à un deuxième palier qui est en l'occurence le fond de la mine situé, dans l'exemple décrit, à 3000 mètres. De nouveau, l'eau est décompressée dans un second réservoir de décompression 5 à travers une seconde vanne de décompression 6. Dans l'exemple, les conduites 1 et 2 ont un diamètre d'environ 50 mm. Après le dernier réservoir de décompression 5, l'eau, dont la pression est de 1 bar et la température d'environ 240C, passe par un organe d'étranglement à ouverture réglable, par exemple une vanne 7. Le circuit comprend ensuite un réchauffeur d'eau 8 suivi d'un évaporateur 10. Dans l'évaporateur 10, la pression est de 0,07 bar et la température de 400C. En sortie de l'évaporateur, l'eau est envoyée vers un ensemble de compression 11 assurant la remontée de la vapeur d'eau jusqu'à la surface par des conduites 12 et permettant, en liaison avec la vanne à ouverture variable 7, de maintenir dans l'évaporateur la pression correspondant à la température choisie de vaporisation. Dans l'exemple décrit, l'ensemble de compression 11 comprend trois étages de compression 13, 14 et 15. Deux désurchauffeurs 16 et 17 alimentés par un piquage 18 effectué entre le réchauffeur d'eau 8 et l'évaporateur 10, sont placés respectivement après le compresseur 13 et après le compresseur 14. Ces désurchauffeurs permettent de diminuer la température à la sortie de ces compresseurs. A la sortie de l'ensemble de compression 11, la vapeur d'eau est à 1500C et 0,58 bar. L'ensemble de compression a une puissance de 2,5 MW. Le débit de piquage pour la désurchauffe est de 0,45 kg/s. La vapeur remonte ensuite jusqu'à la surface par la conduite 12 où elle arrive avec une pression de 0,39 bar et à une température de 1400C, et où elle est détendue à 0,04 bar et 290C dans une turbine 19. Cette turbine 19 a une puissance de 1,7 MW et permet ainsi de récupérer une partie de l'énergie dépensée en entraînant par exemple un alternateur. L'échappement de la turbine 19 est dirigé vers les moyens de condensation 20 qui comportent dans l'exemple, un ballon de condensation par mélange 21, qui reçoit d'une part la vapeur à condenser en provenance de la conduite 22, et d'autre part de l'eau à 1 bar et 170C provenant de la base d'une tour de réfrigération 23. Cette eau est amenée par une conduite 24 et pulvérisée dans le ballon 21. La tour de réfrigération est alimentée en eau à sa partie supérieure par l'eau condensée provenant du ballon de condensation au moyen d'une conduite 25 munie d'une pompe de circulation 26. En outre, à la base de la tour de réfrigération 23, on peut recycler par une conduite 27, rejoignant la conduite 1, le débit correspondant à la circulation dans les différents appareils, qui est comme il a déjà été dit, de 5,35 kg/s dans l'exemple décrit. Le débit en circuit fermé : ballon 21/tour 23, passant dans la conduite 24 et pulvérisé dans le ballon 21 est de 246,8 kg/s. Au fond de la mine, le réchauffeur d'eau 8 et l'évaporateur 10 puisent leurs calories dans le sous-refroidisseur 9 et le condenseur 28 d'une machine frigorifique, comportant un évaporateur 29, un compresseur 30 et une vanne de détente 31. L'évaporateur 29 absorbe ses calories dans un échangeur 32 d'un circuit d'eau d'exploitation, qui passe dans divers serpentins 33 de refroidissement de la mine, et qui sert également à arroser les parois 34. L'eau de ruissellement est récupérée dans un réservoir 35, puis elle est ramenée vers l'échangeur 32 par une pompe 36 après passage dans des filtres 37. A l'entrée dans l'échangeur 32, l'eau du circuit d'exploitation est à 280C, et à sa sortie à 140C. Son débit est de 171 kg/s. Dans l'évaporateur 29, le fluide de cycle est à 100C et 6,7 bars, et dans le condenseur 28, à 450C et 16,97 bars, ceci pour le fluide connu-dans le commerce sous le nom de "R 22". Le compresseur 30 a une puissance de 2 MW, l'échangeur 32 de 10 MW. Ainsi, en utilisant la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 400C dans l'évaporateur 10, cela permet de diminuer considérablement le débit nécessaire de l'eau qui est ici de 5,35 kg/s par rapport au système connu ou on utilise de l'eau froide sans changement d'état. On remarquera dans la phase vapeur, depuis l'évaporateur 10 jusqu'au ballon de condensation 21, la vapeur d'eau est à une pression toujours inférieure à 1 bar, ainsi, en cas de fuite d'une conduite, il y a entrée d'air dans la conduite de vapeur et non pas l'inverse. Le fait de disposer l'ensemble de compression 11 au fond de la mine, permet de diminuer les volumes de vapeur à acheminer vers la surface, et donc d'avoir une conduite de remontée 12 d'un diamètre raisonnable de l'ordre de 950 mm. Les parois de cette conduite ne subissant une différence de pression interne/externe que faible : de 0,42 bar, sont d'épaisseur faible, la conduite est donc relativement légère. Dans une variante simplifiée de l'invention, on peut faire l'économie de l'ensemble de compression 11. Dans ce dernier cas, la conduite de remontée 12 peut avoir un diamètre plus important. Le réchauffeur d'eau 8 peut être remplacé par un échangeur placé en amont de la vanne 7 dans le cas où l'on cherche à refroidir un débit d'eau se trouvant à une température > / 440C dans l'exemple choisi. Bien entendu, les valeurs numériques indiquées dans l'exemple décrit ne sont données qu'à titre d'illustration. REVENDICATIONS 1/ Installation pour le refroidissement de mines profondes comprenant des conduites de descente (1, 2) alimentées en eau depuis la surface, caractérisée en ce que la descente de l'eau est réalisée par paliers, les conduites aboutissant à chaque palier à un réservoir (4, 5) de décompression, en ce qu'après le dernier palier, le circuit est muni d'un organe d'étranglement à ouverture réglable (7) suivi d'un évaporateur d'eau (10), la vapeur étant ensuite remontée en surface par des conduites (12), puis détendue dans une turbine (19) dont l'échappement est dirigé vers des moyens de condensation (20), ledit évaporateur (10) du fond de mine puisant ses calories dans le condenseur (28) d'une machine frigorifique située au fond. 2/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, situé au fond de la mine, après ledit évaporateur (10), un ensemble de compression (11), avant les conduites de remontée (12). 3/ Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un réchauffeur (8) situé entre ledit organe à ouverture réglable (7) et ledit évaporateur (10), ledit réchauffeur (8) puisant ses calories dans un sous-refroidisseur (9) situé dans le circuit de ladite machine frigorifique située au fond. 4/ Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite machine frigorifique comporte un évaporateur (29) puisant ses calories dans un échangeur (32) appartenant à un circuit d'eau d'exploitation situé au fond, formant un circuit en boucle fermée. 5/ Installation selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisée en ce qu'un piquage (18) est effectué en amont dudit évaporateur (10) vers des désurchauffeurs (16, 17) situés après les étages de compression (13, 14) dudit ensemble de compression (11). 6/ Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de condensation comprennent un ballon de condensation (21) par mélange de la vapeur à condenser à l'échappement de la turbine (19) avec de l'eau en provenance de la base d'une tour de réfrigération (23) alimentée en eau à sa partie supérieure par la sortie dudit ballon de condensation 21.