Brevet FR2795456A1 — publié le 20001229

La présente Mention concerne l'exploitation de l'énergie thermique des océans, en utilisant l'air atmosphérique ambiant, ainsi que l'eau froide profonde et l'eau chaude de surface dans une zone intertropicale. Les différents dispositifs connus sont désignés par l'acronyme de langue anglaise OTEC qui signifie en français et en lisant de droite à gauche Conversion de l'Energie Thermique des Océans (les principaux moteurs de recherche d'Internet reconnaissent OTEC). Deux techniques sont actuellement en concurrence, l'une dite "à cycle ouvert" dont le rendement est très faible, l'autre dite "à cycle fermé" dont le rendement est meilleur mais qui nécessite des échangeurs de chaleur en titane extrêmement coûteux. - La présente invention est conçue pour atteindre un rendement du même ordre de grandeur que les machines à "cycle fermé" mais elle ne nécessite pas d'échangeur, ni à la source chaude, ni à la source froide ; cette simpli fication conduit à un coût peu élevé et assure de ce fait la rentabilité de la technique OTEC. La machine objet de ce brevet fait décrire à l'air ambiant un cycle thermodynamique comportant quatre étapes. Les trois premières étapes sont mises en oeuvre dans un premier type d'appareil et la dernière étape dans un second type d'appareil. La différence essentielle entre ces deux types d'appareils réside dans le fait que l'appareil du premier type comporte un ensemble mécanique qui par nature, ne peut délivrer qu'une puissance limitée ; au contraire, l'appareil du deuxième type, sans organe mécanique, ne subit pas une telle limitation. Il en résulte que pour produire une puissance importante, il est commode de mettre en parallèle plusieurs appareils du premier type associés à un seul appareil du second type. A) L'appareil du premier type se compose d'un cylindre vertical à l' intérieur duquel il y a - un ensemble mécanique constitué d'une turbine à la partie inférieure, d'un compresseur à la partie supérieure et d'un axe vertical qui relie la turbine et le compresseur. - un circuit d'eau froide à écoulement gravi taire dans une vis d'Archimède fixe. - un circuit d'air qui pénètre par la base de l'appareil, se détend dans la turbine précitée, remonte hélicoïdalement en se refroidissant par contact à contre courant avec l'eau froide, entre dans le compresseur et pénètre enfin dans la deuxième partie de la machine. L'air atmosphérique ambiant, chaud et humide évolue donc dans la première partie de l'appareil selon trois transformations théoriques a) une détente adiabatique dans la turbine. b) un refroidissement isobare du fait du contact à contre courant avec l'eau froide. c) une compression adiabatique dans le compresseur. Le processus est en réalité plus complexe car les transformations évoquées, ne sont pas totalement adiabatiques ni isobares. Mais également parce que l'air entrant est humide (ce qui est un élément favorable). En appliquant la loi de Dalton concernant les mélanges, on pourrait donc considérer deux fluides avec leur pressions partielles respectives - L'eau d'origine atmosphérique qui passe de la phase vapeur à la phase liquide est évacuée avec l'eau océanique initialement froide ; le compresseur ne joue donc aucun rôle pour celle-ci. - L'air, supposé sec, demeure évidemment en phase gazeuse ; en conséquence, ce qui sort de la première partie de l'appareil est un air froid et sec. B) La deuxième partie de la machine est semblable aux aéroréfrigérants utilisés par exemple dans certaines centrales thermiques. Il serait cependant plus exact d'utiliser le terne de "réchauffeur humidificateur" puisque son objet est de transformer l'air sec et froid entrant, en un air chaud et humide qui retourne à l'atmosphère. Cette transformation est obtenue par une pulvérisation d'eau chaude océanique de surface. Cette deuxième partie de l'appareil produit deux effets . 1) Le cycle thermodynamique est approximativement fermé puisque l'air sortant est thennodynamiquement comparable à l'air entrant. La machine peut donc être désignée comme étant à "cycle quasi-fenné" 2) Cet apport de chaleur sous forme d'une part d'une élévation de température et d'autre part d'une augmentation du titre de vapeur d'eau, améliore le rendement de la machine en diminuant la puissance consommée par le compresseur. Afin d'accroitre l'échange thermique entre l'air et l'eau froide océanique, il est établi un champ électrique dont l'effet est comparable à celui mis en oeuvre dans un dépoussiéreur électrostatique. Ce champ électrique favorise le passage des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, vers l'eau froide. Ainsi la relation d'équilibre est déplacée dans le sens 1 du fait de l'élimination de la phase liquide. Cette disposition accroit le séchage et le refroidissement de l'air et donc la dépression après la turbine. En variante, l'appareil décrit au paragraphe A, peut être incliné, la rampe en forme de vis d'Archimède est supprimée, l'eau froide s'écoule selon les génératrices basses du cylindre. Cette disposition rend la machine plus simple à construire mais diminue sa compacité. La figure la représente la première partie de la machine, la figure lb est le diagramme entropique théorique qui indique les différents états thermo dynamiques de l'air. L'air ambiant pénètre en 2 dans la machine, c'est à dire A sur le diagramme, la détente adiabatique dans la turbine 9 correspond à la transformation isentropique AB. Le refroidissement isobare dans l'enceinte annulaire 1 correspond à la transfonnation BC. La compression adiabatique est décrite par la transfonnation isentropique CD. Enfin, le réchauffement DA, avec accroissement du volume de l'air résultant de sa dilatation et de l'introduction de vapeur d'eau. Cette dernière partie du cycle représente la transformation de l'air froid et sec depuis sa sortie en 3 jusqu'à son rejet dans l'atmosphère. L'air en cause entre dans un "réchauffeur humidificateur" qui n'est pas représenté sur le dessin. Il s'agit en fait d'un aéroréfrigérant dont le modèle est bien connu. La différence de désignation provient du but recherché et non du phénomène physique. Un "aéroréfrigérant" e"st destiné a refroidir de l'eau ; un "réchauffeur humidificateur" est destiné à rendre humide et chaud un air entrant qui est froid et sec. Dans la plupart des cas, il y a en position centrale, un"réchauffeur humidificateur" alimenté en air froid par un nombre plus ou moins important de machines fonctionnant en parallèles et identiques à celle représentée figure la. Ces machines se répartissent autour du réchauffeur humidificateur central. La figure 2 représente une variante de la machine décrite figure la. Dans ce cas de figure, la machine est inclinée, l'eau froide circule gravitaire- ment dans le bas de l'appareil comme le montre la coupe figure 3. Cette variante est plus simple à construire mais doit être beaucoup plus longue pour assurer une surface d'échange eau/air équivalente. La figure 4 est un diagramme de Mollier. Il représente les mêmes transformations que le diagramme lb. Cependant pour marquer d'une part la diminution du titre en vapeur d'eau de B vers C et au contraire une augmentation du titre D vers A, des pointillés différents représentent ces deux transformations. Pour simplifier, on a supposé que l'air rejeté est thennodynainiquement équivalent à l'air ambiant, la réalité étant différente, il aurait fallu considérer un point A' voisin de A de telle sorte que la dernière transformation soit DA' et non DA. . D'autre part, la compression de l'air n'étant pas exactement adiabatique, sur le diagramme de Mollier, CD n'est pas un segment de droite parallèle à l'axe enthalpique mais une courbe. .Lorsque l'installation se trouve au voisinage d'une rivière, il est possible d'utiliser cette eau douce sous pression pour assurer la remontée de l'eau océanique profonde. La figure 5 représente ce procédé ; l'eau douce est introduite à la base du tube de pompage d'eau océanique froide ; la diminution de densité qui en résulte assure la remontée de l'eau sans recourir à un pompage mécanique. . Selon la tigure la, l'air circule dans l'espace aimulaire et hélicoïdal 1 ; l'air ambiant pénètre en 2 par une ouverture située à la base de la machine, il en ressort en 3 ; l'eau océanique froide est introduite en 4 dans la machine, plusieurs tuyaux assurent cette alimentation afin que le débit d'eau soit bien réparti ; l'eau froide descend gravitairelnent et hélicoïdalement en 5 ; l'eau froide réchauffée est collectée en 6 pour être rejetée ; le circuit d'eau froide est donc à contre courant du circuit d'air ; la turbine 9, le compresseur 10 et l'alternateur Il tournent solidairement grâce à l'axe 7 ; l'axe 7 est dans une cavité qui ne joue aucun rôle excepté celui joué par la paroi 8 ; cette paroi établi un espace annulaire dans lequel s'effectue les écoulements de l'air et de l'eau ; l'eau, outre les parois verticales, circule grâce à une vis d'Archimède fixe 12 ; 12 est en matériau isolant revêtu d'une couche conductrice 13 ; entre 13 et l'eau, il est établi une différence de potentiel continue, de telle sorte que les gouttelettes d'eau eii suspension dans l'air, rejoignent l'eau ; cette disposition est destinée a assurer l'efficacité de l'échange thermique ; l'intensité électrique étant faible, le revêtement 13 peut simplement être rendu conducteur par adjonction de graphite. La figure 2 étant une variante de la figure la, on y retrouve à peu près les mêmes éléments : l'air circule dans la cavité annulaire 1, l'air ambiant entre en 2 et sort en 3 ; l'eau froide entre en 4, s'écoule en 5 , elle est rejetée en 6 ; la turbine 9, le compresseur 10 et l'alternateur Il, tournent solidairement grâce à l'axe 7 ; l'air qui sort de la turbine 9 décrit un mouvement hélicoiâal autour de la paroi 8 et se trouve périodiquement en contact avec la nappe d'eau 5 ; s'il n'y a pas de problème d'enviroiuiement on pulvérise en 12 de l'eau océanique chaude ; dans le cas contraire, l'air sec et froid va de 3 vers un "réchauffeur humidificateur". Les tenues turbines et compresseurs sont utilisés pour préciser les fonctions respectives de ces deux organes, dans la pratique, ils sont très sem blables ; la seule différence réside dans le fait que le débit volumique d'air est plus important dans la turbine que dans le compresseur. A l'exception de l'alternateur, on pourra utiliser les matériaux usuels de la marine de plaisance par exemple. La production d'énergie à partir de combustibles ou d'uranium pose de nombreux problèmes ; OTEC fournit une énergie renouvelable et abondante malgré son faible rendement. Le coût peu élevé de la présente invention est une opportunité qu'il convient de saisir. En outre, les remontées d'eau océaniques profondes riches en nitrates et phosphate favorisent l' accroissement de la production de la biomasse océanique. Enfin, un prélèvement d'air sec et froid peut assurer une climatisation économique. REVENDICATIONS 1) Machine thermique produisant de l'énergie électrique par mise en oeuvre d'une source chaude et d'une source froide qui sont respectivement, une eau océanique de surface et une eau océanique profonde, dans une zone intertropicale ; caractérisée en ce que l'air ambiant généralement humide constitue le fluide moteur ; celui-ci subit dans un premier type d'appareil, trois transformations thermodynamiques successives : a) détente adiabatique b) refroidissement et abaissement du titre en vapeur d'eau de manière approximativement isobare c) compression adiabatique ; puis dans un deuxième type d'appareil, un réchauffage et humidification avant rejet dans l'atmosphère. 2) Machine thermique comportant un premier type d'appareil, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau froide océanique est introduite en (4), descend gravitairement dans une vis d'Archimède fixe (12), puis est rejetée en (6), alors que, en sens contraire, c'est à dire de bas en haut, un flux d'air ambiant pénètre en (2) dans l'appareil, fournit de l'énergie à un ensemble mécanique, subit un refroidissement et un séchage du fait du contact avec l'eau froide, subit une compression en (10) et rejoint en (3) l'appareil du deuxième type. 3) Machine thermique comportant un ensemble mécanique, selon la revendication 2, qui comporte une turbine (9), un compresseur (10) et un alternateur (11), reliés par un axe (7). 4) Machine thermique produisant un refroidissement et séchage selon la revendication 2, caractérisés en ce qu'un champ électrique établi entre l'électrode (13) et l'eau de refroidissement (5), facilite le transport des gouttelettes d'eau en suspension dans l'air, vers l'eau en circulation. La paroi (12) isolante, évite un court circuit entre l'eau et l'électrode (13). 5) Machine thermique comportant un appareil de deuxième type, selon la revendication 1, occupant une position centrale par rapport â plusieurs appareils du premier type qui y déversent depuis (3) de l'air froid et sec. 6) Machine thermique comportant un appareil de deuxième type selon la revendication 5 dans lequel s'opère les mêmes phénomènes physiques que dans les aéroréfrigérants usuels mais qui est destiné, avant rejet à l'atmosphère, à chauffer et humidifier grâce à de l'eau chaude océanique, l'air sec et froid qui sort des appareils du premier type. 7) Machine thermique comportant un premier type d'appareil selon la revendication 2 caractérisé en ce que placé en position inclinée, la vis d'Archimède fixe n'est plus nécessaire, cette disposition qui simplifie l'appareil nécessite un allongement de celui-ci pour obtenir les mêmes effets d'échanges thermiques.