Brevet FR2659727A1 — publié le 19910920

i La présente invention concerne les installations thermo-énergétiques et a notamment pour objet une installation géothermique pour l'approvisionnement en chaleur et en eau. La présente invention peut être utilisée dans la production d'énergie thermique pour le chauffage et l'approvisionnement en eau chaude des locaux d'habitation et des ouvrages industriels En même temps, elle permet d'extraire, pendant son exploitation, les éléments et composés chimiques contenus dans la saumure. A l'heure actuelle, dans les installations géothermiques d'approvisionnement en chaleur et en eau, on prévoit le retour de la saumure, utilisée dans ces installations, dans le gisement géothermique Pour atteindre ces objectifs ainsi que pour assurer le transport de la saumure chaude vers les appareils consommateurs, on utilise des pompes centrifuges qui nécessitent une grande quantité de métal pour leur fabrication et ont une durée de vie réduite dans les conditions du travail avec des saumures chaudes Dans certaines installations, on utilise, pour les mêmes objectifs, des pompes à chaleur qui sont plus fiables et caractérisées par une durée de vie plus importante, comparativement aux pompes centrifuges, mais consomment une plus grande quantité d'énergie De ce fait, les exigences principales auxquelles doivent satisfaire les installations géothermiques sont un rendement élevé et de hautes performances économiques. On connaît une installation d'approvisionnement en chaleur et en eau utilisant la chambre d'une source géothermique (SU, A, 823762) comprenant une source géothermique à laquelle sont liées des pompes à chaleur principale et auxiliaire De la sortie de la première de ces pompes, l'eau parvient dans le système d'approvisionnement en eau chaude et de la sortie de la seconde pompe, elle se dirige vers un château d'eau destiné à alimenter un système d'approvisionnement en eau industrielle et potable Chaque pompe à chaleur comporte un condensateur, un évaporateur et un compresseur avec une commande électrique Une chaudière du système d'approvisionnement en chaleur est mise en communication avc la source géothermique à travers le condensateur de la pompe à chaleur principale L'installation comporte également une chambre frigorifique installée entre l'évaporateur et le condensateur de la pompe à chaleur principale L'évaporateur de la pompe à chaleur auxiliaire est mis en communication, à travers un robinet à trois voies et une soupape de retenue, avec le condensateur de la pompe à chaleur principale. En hiver, on utilise l'installation connue pour le chauffage qui est effectué à l'aide de la pompe à chaleur principale et pour l'approvisionnement en eau chaude réalisé au moyen de la pompe à chaleur auxiliaire. En été, on débranche le système de chauffage et on raccorde la pompe à chaleur principale à la chambre frigorifique L'augmentation de la puissance frigorifique de la pompe à chaleur principale ainsi que des performances économiques de l'installation pendant son utilisation en été est assurée par l'amenée de l'eau chauffée au préalable dans l'évaporateur de la pompe à chaleur supplémentaire, au condensateur de la pompe à chaleur principale. En hiver, l'augmentation des performances économiques de l'installation connue est impossible. En outre, l'utilisation de compresseurs avec commande électrique impose de faire appel à des sources complémentaires d'énergie, ce qui diminue les performances économiques Il convient de noter que la composition chimique de l'eau utilisée dans le système d'approvisionnement en eau chaude est identique à celle de l'eau de la source géothermique qui est caractérisée par une haute teneur en sels minéraux Dans cette installation connue, la possibilité d'amener de nouveau l'eau dans le gisement géothermique après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur n'est pas prévue, ce qui aboutit, pendant une longue période d'utilisation du gisement géothermique, à la diminution de ses réserves et à la formation de terrains salés. La possibilité de recycler la saumure utilisée dans un gisement géothermique est prévue dans l'installation d'approvisionnement en chaleur et en eau (SU, A, 1134854) comportant un puits géothermique pour l'évacuation de la saumure sous forme d'un mélange vapeur-liquide, en communication avec un séparateur, qui est lié en phase vapeur, à une pompe à jet et à un étage à haute pression d'un injecteur, ledit étage étant raccordé à une conduite de transport de l'eau après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur, et est lié, en phase liquide, au côté à refroidir d'un échangeur de chaleur lié à la pompe à jet, dont la sortie est mise en communication avec le puits pour le refoulement de la phase liquide de la saumure, et une source d'eau douce, liée au côté à chauffer de l'échangeur de chaleur, côté lié à l'étage basse pression de l'injecteur, à partir de la sortie duquel on effectue le prélèvement de l'eau vers les systèmes d'approvisionnement en chaleur et en eau chaude. Dans l'installation connue, la saumure est envoyée, de la sortie de la pompe à jet, directement dans le puits pour le refoulement de sa phase liquide et l'eau est envoyée, après son utilisation, dans le système d'approvisionnement en chaleur dans l'étage haute pression de l'injecteur A l'aide de l'injecteur, on organise la circulation de l'eau dans le système d'approvisionnement en chaleur et la prise de l'eau douce de la source Il convient de noter que la température de l'eau recyclée après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur dans l'étage haute pression est assez importante, ce qui détermine la pression correspondant à cette température A une grande pression dans l'étage haute pression, l'injecteur fonctionne d'une manière instable en consommant, dans ce cas, une plus petite quantité de vapeur et d'eau douce, ce qui conduit à la diminution de la pression à la sortie de l'injecteur et à la diminution du rendement de tout l'ensemble de l'installation. Dans l'installation connue, la pompe à jet est destinée à refouler la phase liquide de la saumure dans le gisement géothermique Pour surmonter la résistance du puits, il faut, à la sortie de la pompe à jet, une pression dont la valeur est déterminée par la quantité de vapeur fournie. L'élévation de la pression de la saumure au moyen de l'augmentation du débit de vapeur conduit à la diminution de la quantité de vapeur arrivant dans l'injecteur et à un fonctionnement instable De plus, la température de la saumure à l'entrée dans le puits de refoulement est basse, ce qui crée un résistance supplémentaire due à une haute viscosité de la saumure. Ainsi, la chaleur thermique du gisement géothermique est utilisée dans l'installation connue d'une manière insuffisamment efficace, et en conséquence, les caractéristiques économiques de l'installation sont médiocres. On s'est donc proposé de mettre au point une installation pour l'approvisionnement en chaleur et en eau chaude qui permettrait, grâce au prélèvement de la chaleur de l'eau après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur et à la transmission de la chaleur ainsi prélevée à la phase liquide de la saumure avant son arrivée dans le puits de refoulement, d'augmenter les performances économiques et le rendement. Le problème ainsi posé est résolu à l'aide d'une installation géothermique pour l'approvisionnement en chaleur et en eau, comportant un puits géothermique pour l'évacuation de la saumure sous la forme d'un mélange vapeur-liquide en communication avec un séparateur, qui est lié en phase vapeur à une pompe à jet et à un étage haute pression de l'injecteur, étage mis en communication avec une conduite de transport de l'eau après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur et qui communique, en phase liquide, avec le côté à refroidir de l'échangeur de chaleur, côté mis en communication avec la pompe à jet, dont la sortie est liée au puits de refoulement de la phase liquide de la saumure, et une source d'eau douce, liée au côté à chauffer de l'échangeur de chaleur, lequel est lié à l'étage basse pression de l'injecteur à la sortie duquel l'eau est prélevée et est envoyée vers les systèmes d'approvisionnement en chaleur et en eau, caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à chaleur à l'entrée de laquelle arrive l'eau du côté de refroidissement après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur et en ce que la sortie est raccordée à une conduite de transport d'eau après son utilisation dans le système d'approvisionnement en eau, en ce que l'entrée de la pompe à chaleur est liée, du côté de chauffage, à la sortie de la pompe à jet et la sortie est raccordée au puits de refoulement de la phase liquide de la saumure. Dans le cas o la pompe à chaleur comporte un évaporateur et un condensateur, dont les côtés à chauffer et à refroidir sont liés l'un à l'autre par un circuit de circulation d'un caloporteur intermédiaire comprenant une vanne d'étranglement et un compresseur montés, en amont et en aval de l'évaporateur, respectivement, suivant la direction de la circulation du caloporteur intermédiaire, il est avantageux qui le compresseur soit muni d'une commande hydraulique, mise en communication avec la sortie de l'injecteur. Grâce à l'utilisation d'une pompe à chaleur dans l'installation selon l'invention pour l'approvisionnement en chaleur et en eau chaude d'une source géothermique, on peut augmenter le débit de la saumure puisée du puits géothermique et augmenter en même temps le débit d'eau douce arrivant au système d'approvisionnement en chaleur et en eau chaude. En chauffant la phase liquide de la saumure avant son refoulement dans le puits, on obtient la possibilité de diminuer sa viscosité et d'augmenter le volume du liquide à refouler dans le puits. En outre,en amenant, dans l'étage de haute pression de l'injecteur, de l'eau, dont la température diminue lorsqu'elle passe par la pompe à chaleur, on obtient un fonctionnement plus stable de l'injecteur. Utilisant, dans la pompe à chaleur, un compresseur avec une commande hydraulique, on donne la possibilité d'assurer le fonctionnement de l'installation en régime autonome, c'est-à-dire sans consommer l'énergie de sources extérieures. Ainsi, l'installation selon l'invention est caractérisée par de hautes performances économiques et une capacité de production élevée et ne nécessite par de faire appel à des sources supplémentaires d'énergie. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre d'un mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec références au dessin non limitatif annexé dans lequel: la figure unique montre une installation géothermique pour l'approvisionnement en chaleur et en eau chaude selon l'invention. L'installation géothermique pour l'approvisionnement en chaleur et en eau selon l'invention comporte un puits géothermique 1 pour l'évacuation de la saumure sous la forme d'un mélange vapeur-liquide, lié à un séparateur 2 Le séparateur 2 est lié en phase vapeur aux buses 3 et 4 à vapeur d'un étage haute pression 5 d'un injecteur 6 et d'une pompe à jet 7, respectivement, et mis en communication, en phase liquide, avec le côté à refroidir 8 d'un échangeur de chaleur 9, côté, qui, à son tour, est lié à une buse de liquide 10 de la pompe à jet 7. L'installation comporte aussi une source 11 d'eau douce communiquant avec le côté à chauffer de l'échangeur de chaleur 9, côté lié aux tubulures d'entrée 12 de l'étage basse pression 13 de l'injecteur 6. De la sortie de l'injecteur 6, l'eau chaude est envoyée vers un système 14 d'approvisionnement en chaleur et un système 15 d'approvisionnement en eau. En outre, l'installation comporte une pompe à chaleur comprenant, un évaporateur 17 et un condensateur 18, dont un côté à chauffer 19 et un côté à refroidir 20 sont liés l'un à l'autre par un circuit 21 de circulation d'un caloporteur intermédiaire, comportant une vanne d'étranglement 22 et un compresseur 23 La vanne d'étranglement 22 et le compresseur 23 sont montés en amont et en aval de l'évaporteur 17 suivant le sens de la circulation du caloporteur intermédiaire, désigné sur le dessin par une flèche Dans la variante décrite, le compresseur 23 est pourvu d'une commande hydraulique 24, liée à l'entrée de l'injecteur 6 Après utilisation dans le système 14 d'approvisionnement en chaleur, l'eau parvient à l'entrée du côté à refroidir 25 de l'évaporateur 17 tandis que la sortie de ce côté 25 de l'évaporateur 17 est raccordée à une conduite 26 destinée au transport de l'eau, après son utilisation, dans le système d'approvisionnement en eau L'entrée du côté à chauffer 27 du condensateur 18 est liée à la sortie de la pompe à jet 7 et sa sortie est liée à un puits 28 pour le refoulement de la phase liquide de la saumure, dont une portion peut être utilisée pour en extraire des éléments et des composés chimiques. Des vannes 29, 30, 31 destinées à régler les débits de la phase liquide et de la phase valeur de la saumure sont montées sur des conduites reliant le séparateur 2 aux buses de vapeurs 3 et 4 de l'injecteur et de la pompe à jet 7 et à la buse de liquide 10 de la pompe à jet 7, respectivement Une vanne 32, permettant de régler le débit d'eau douce se dirigeant vers les tubulures d'entrée 12 de l'injecteur 6, est montée sur la tubulure reliant la source 11 d'eau douce. L'installation géothermique d'approvisionnement en chaleur et en eau fonctionne comme suit. A partir d'un puits géothermique, la saumure est refoulée sous pression, sous la forme d'un mélange vapeur-liquide, vers le séparateur 2 o elle est séparée en phase liquide et en phase vapeur La vapeur, dont la température est de 110 à 1500 C, passe par la conduite sur laquelle sont montées les vannes 29 et 30 et parvient, à travers les buses de vapeur 3 et 4, dans l'étage haute pression 5 de l'injecteur 6 et dans la pompe à jet 7 La phase liquide de la saumure passe par la conduite sur laquelle est montée la vanne 31 et parvient dans l'échangeur de chaleur 9 et, ayant passé à travers le côté à refroidir 8 de cet échangeur, cède de la chaleur à l'eau douce arrivant de la source 11, à une température de 5 à 200 C L'eau douce chauffée, dans l'échangeur de chaleur 9, à une température de 35 à 450 C, arrive dans les tubulures d'entrée 12 de l'étage basse pression 13 de l'injecteur 6 Le débit d'eau douce est déterminé par la différence des pressions dans la source d'eau douce 11 et dans la chambre de mélange de l'étage basse pression 13 de l'injecteur 6 et est réglé par la vanne 32 La pression dans la chambre de mélange de l'étage basse pression 13 dépend de la pression et de la température du fluide dans l'étage haute pression 5 Dans l'injecteur 6, la phase vapeur de la saumure se condense totalement en se mélangeant avec l'eau après son utilisation dans le système 14 d'approvisionnement en chaleur et en eau douce, arrivant de la source 11, et dans le diffuseur de l'injecteur 6, la pression croit jusqu'à 0,3 à 1,0 M Pa ce qui permet de transporter l'eau, dont la température est de 65 à 950 C, vers le système 14 d'approvisionnement en chaleur et le système 15 d'approvisionnement en eau. Après avoir passé par le côté à refroidir 8 de l'échangeur de chaleur 9, la phase liquide de la saumure parvient, à travers la buse 10 de liquide, dans la chambre de mélange de la pompe à jet 7 dans laquelle arrive la phase vapeur de la saumure à travers la buse de vapeur 4 Dans la pompe à jet 7, la phase vapeur se condense et l'énergie thermique se transforme en énergie mécanique En conséquence, la pression à la sortie croît et atteint 0,3 à 1,4 M Pa en comparaison avec la valeur de 0,1 à 0,5 M Pa à l'entré de la pompe à jet 7. De la pompe à jet 7, la phase liquide de la saumure, dont la température est de 40 à 600 C, arrive à l'entrée de la pompe à chaleur 16, du côté chauffage, et l'eau arrive, après son utilisation, dans le système d'approvisionnement en eau 14 à l'entrée de la pompe à jet 7, du côté refroidissement. Après avoir traversé le côté à refroidir 25 de l'évaporateur 17, l'eau passe de la température de 30 à 450 C à une valeur de 10 à 200 C en cédant la chaleur au caloporteur intermédiaire (liquide à basse température d'ébullition) qui circule à travers le côté 19 à chauffer de l'évaporateur 17 Dans l'évaporateur, le caloporteur intermédiaire se transforme en phase vapeur puis se liquéfie dans le compresseur 23 Le compresseur 23 est muni d'une commande hydraulique 26, o l'eau arrivant de la sortie de l'injecteur 6 sert du fluide moteur. Le débit d'eau pour la commande 26 du compresseur 23 est faible (il forme à peu près 10 % du débit total d'eau) et ne diminue sensiblement pas le débit dans le système 14 d'approvisionnement en chaleur ni dans le système 15 d'approvisionnement en eau. A la suite de la compression, la température et l'enthalpie du caloporteur intermédiaire augmentent et le caloporteur intermédiaire parvient de lui-même dans le condensateur 18 Ayant circulé à travers le côté à refroidir 20 de ce condensateur, il cède de la chaleur à la phase liquide de la saumure, qui passe à travers le côté 27 à chauffer du condensateur 18 et est envoyée vers le puits 28 pour le refoulement et, en cas de nécessité, elle est envoyée vers un système d'extraction des éléments chimiques à une température de 80 à 950 C. Après le condensateur 18, la pression du caloporteur intermédiaire est augmentée par la vanne d'étranglement 22 montée dans le circuit 21 de circulation. En utilisant la pompe à chaleur 16 dans l'installation selon l'invention, on offre la possibilité de baisse la température de l'eau après son utilisation dans le système 14 d'approvisionnement en chaleur et d'élever la température de la saumure refoulée dans le puits 28, assurant, par cela même, une utilisation plus efficace de la chaleur En baissant la température de l'eau arrivant par la conduite 26 dans l'étage haute pression 5 de l'injecteur, on contribue à la diminution il de la pression dans cet étage 5, ce qui assure un fonctionnement stable de l'injecteur 6 et permet d'accroître le débit de la vapeur arrivée du séparateur 2 et de l'eau douce arrivant de la source 11 L'arrivée de la vapeur et de l'eau douce dans l'injecteur 6 est réglée à l'aide des vannes 29 et 32 En conséquence, la pression et le débit d'eau à la sortie de l'injecteur 6 augmentent, ce qui permet d'augmenter le rendement du système 15 d'approvisionnement en eau. L'augmentation du débit d'eau douce permet de refroidir la phase liquide de la saumure avec un débit prescrit jusqu'à une température plus basse ou de refroidir jusqu'à la température prescrite un plus grand volume de la phase liquide, ce qui est réglé à l'aide de la vanne 31. En amenant, dans la pompe à jet 7, une plus grande quantité de liquide, on contribue à son fonctionnement plus efficace du fait qu'on baisse les pertes résultant du décalage des courants de vapeur et du liquide. En augmentant la température de la phase liquide de saumure avant son refoulement dans le puits 28, on diminue la viscosité de la saumure, ce qui contribue à la réduction de la résistance du puits 28. Dans le cas d'une grande teneur de la phase liquide de la saumure en sels, du tartre peut se former sur le côté à refroidir 8 de l'échangeur de chaleur 9. Pour assurer l'approvisionnement continu en chaleur et en eau, il est désirable de prévoir au moins deux échangeurs de chaleur 9, branchés en parallèle sur le côté à refroidir 8, pour donner la possibilité de les utiliser à tour de rôle et de réaliser leur lavage et leur réparation. Ainsi, la pompe à chaleur utilisée dans cette installation permet de refouler, dans le puits, une grande quantité de saumure, c'est-à-dire d'intensifier un gisement géothermique et de protéger en même temps le sol contre la pollution En outre, l'installation fonctionne d'un manière autonome et est caractérisée par de hautes performances économiques et un haut rendement. REVEND I CAT IONS 1 Installation géothermique pour l'approvisionnement en chaleur et en eau, du type comportant un puits géothermique pour l'évacuation de saumure sous la forme d'un mélange vapeur-liquide, en communication avec un séparateur qui est lié en phase vapeur à une pompe à jet et à un étage haute pression d'un injecteur, étage mis en communication avec une conduite de transport d'eau après son utilisation dans le système d'approvisionnement en chaleur et qui est mis en communication, en phase liquide, avec le côté à refroidir de l'échangeur de chaleur, côté communiquant avec la pompe à jet, dont la sortie est liée au puits de refoulement de la phase liquide de la saumure et une source d'eau douce, liée au côté à chauffer de l'échangeur de chaleur, côté lié à l'étage basse pression de l'injecteur à la sortie duquel l'eau est prélevée et est envoyée vers le système d'approvisionnement en chaleur et en eau chaude, respectivement, caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à chaleur ( 16) à l'entrée de laquelle arrive l'eau du côté refroidissement après son utilisation dans le système ( 14) d'approvisionnement en chaleur et en ce que sa sortie est raccordée à la conduite ( 26) pour le transport de l'eau après son utilisation dans le système ( 14) d'approvisionnement en chaleur, l'entrée de la pompe à chaleur ( 16) étant liée, du côté du chauffage, à la sortie de la pompe à jet ( 7) et sa sortie étant raccordée au puits ( 28) de refoulement de la phase liquide de la saumure. 2 Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, dans le cas o la pompe à chaleur ( 16) comporte un évaporateur ( 17) et un condensateur ( 18), dont le côté à chauffer ( 19) et le côté à refroidir ( 20) sont reliés par un circuit ( 21) de circulation d'un caloporteur intermédiaire comprenant une vanne d'étranglement ( 22) et un compresseur ( 23), montés respectivement en amont et en aval de l'évaporateur ( 17) suivant le sens de la circulation du caloporteur intermédiaire, le compresseur ( 25) est pourvu d'une commande hydraulique ( 24) liée à la sortie de l'injecteur ( 6).