Brevet FR2868810A1 — publié le 20051014

PROCEDE ET SYSTEME D'ECHAPPEMENT ET DE REFROIDISSEMENT DES GAZ DE MACHINES THERMODYNAMIQUES SUR LES NAVIRES DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne les navires propulsés par des machines thermodynamiques, telles que, entre autres, des turbines à gaz et des moteurs à combustion interne dégageant des gaz à haute température. Une application particulièrement avantageuse est prévue pour les porteavions. Art antérieur et problème posé Sur les navires de moyen et fort tonnages, les gaz d'échappement des machines de propulsion thermodynamique, telles que les turbines à gaz et les moteurs à combustion interne, sont évacués au moyen de cheminées de grandes dimensions surmontant l'ensemble de la structure supérieure du navire. Les gaz ainsi évacués le sont, au niveau de ces cheminées, à plusieurs centaines de degrés C, environ 500 C. Ceci présente des inconvénients communs à toutes sortes de navires, tels que la création d'un ou de plusieurs points chauds, des risques d'incendies, une perte de place dans la partie supérieure de la structure du navire. Pour les navires de guerre, s'ajoute l'inconvénient dû à la perte de furtivité liée à l'émission d'ondes infrarouges dues à la température. Enfin, pour les porte-avions, l'évacuation par ces cheminées provoque la génération de courants d'air chaud ascensionnels engendrant de dangereuses turbulences pour les avions en phase d'appontage et éventuellement de décollage. Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant une autre manière d'évacuer les gaz d'échappement de telles machines thermodynamiques sur les navires. Résumé de l'invention A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé d'échappement et de refroidissement des gaz d'échappement de machines thermodynamiques prévu pour la propulsion d'un navire, le procédé consistant à refroidir les gaz d'échappement par mélange dans de l'eau sur laquelle évolue le navire. La réalisation principale prévoit de créer une circulation naturelle de l'eau à l'intérieur du navire, de l'avant vers l'arrière, pour procéder au refroidissement par mélange des gaz dans l'eau qui est injectée dans les gaz. Ce procédé peut être amélioré en utilisant une injection forcée de l'eau, par exemple au moyen d'une pompe de circulation. Cette injection peut se faire dans une chambre d'admission au moyen de plusieurs injecteurs 30 pour homogénéiser le mélange. 25 Dans le but d'améliorer ce mélange, il est avantageux de prolonger celuici sur une certaine distance avant l'évacuation du mélange. La sortie de ce mélange est avantageusement effectuée au moyen d'un divergent à la sortie de la canalisation de mélange, dans le but de faire baisser la pression et donc de récupérer de l'énergie. L'évacuation du mélange ainsi obtenu se fait juste au-dessus de la ligne de flottaison. Il est également prévu de pouvoir extraire une partie de la chaleur des gaz d'échappement, à la sortie des machines thermodynamiques, au moyen d'un échangeur de chaleur, dans le but de fournir de l'énergie de fonctionnement auxiliaire au navire. Un deuxième objet principal de l'invention est un système d'échappement et de refroidissement des gaz d'échappement des machines thermodynamiques de propulsion d'un navire, comprenant principalement: - un collecteur d'échappement des gaz d'échappement; - une écope d'entrée de l'eau dans la partie inférieure du navire; - une canalisation d'admission pour l'acheminement de l'eau dans une chambre d'admission 25 des gaz; - au moins un injecteur d'eau à la sortie de la canalisation d'admission, dans la chambre d'admission; et - une canalisation de mélange débouchant à 30 l'extérieur du navire, en arrière par rapport à l'écope d'entrée. La réalisation principale prévoit l'utilisation d'une pompe de circulation dans la canalisation d'admission de l'eau pour forcer l'admission de l'eau. Il est avantageux de disposer un convergent à la sortie de la chambre d'admission, au niveau du au moins un injecteur. Dans la réalisation principale, la canalisation de mélange a une longueur supérieure à cinq fois son diamètre à la sortie de la chambre d'admission. Il est également utile d'utiliser un divergent à la sortie de la canalisation de mélange, dans le but de faire baisser la pression du mélange à ce niveau. Enfin, il est prévu que la sortie du mélange se fasse en débouchant à l'arrière du navire, au-dessous de la ligne de flottaison, de manière à ne pas provoquer de mouvements ascensionnels d'air. Liste des figures L'invention et ses caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description détaillée d'une réalisation de l'invention, accompagnée de trois figures représentant respectivement: - figure 1, un schéma relatif au procédé et au système selon l'invention; - figure 2, schématiquement, un navire sur lequel est installé le système selon l'invention; et - figure 3, schématiquement, l'arrière du navire sur lequel est installé le système selon l'invention. Description détaillée d'une réalisation de l'invention En référence à la figure 1, le système selon l'invention comprend une écope 3 dont l'ouverture est tournée vers l'avant du navire, c'est-à-dire, lorsque celui-ci avance, de façon à ce que l'eau rentre dans celle-ci. L'utilisation d'une telle écope 3 permet au circuit d'eau de capter avantageusement l'eau en bénéficiant de l'effet de sillage du navire à grande vitesse. Elle est prolongée d'une canalisation d'admission d'eau 5 interne au navire. Sur cette dernière ou avant celle- ci est placée une pompe de circulation 4 pour renforcer l'injection de l'eau dans la canalisation d'admission d' eaü -5 -qüi fait Off-ide- de trompe. D'autre part, les gaz d'échappement des machines thermodynamiques de propulsion du navire, à savoir des moteurs diesels ou des turbines à gaz sont collectés dans un collecteur des gaz d'échappement 11. Ce dernier aboutit dans une chambre d'admission 6, dans laquelle sont également installés des injecteurs d'eau 12 auxquels aboutit la canalisation d'admission d'eau 5. La chambre d'admission 6 est avantageusement équipée d'un convergent 13 permettant d'accélérer les gaz d'échappement. Ce convergent 13 se termine dans un plan radial de la chambre d'admission 6 dans lequel débouchent les injecteurs d'eau 12. La vitesse de l'eau dans la canalisation interne d'admission d'eau 5 permet de produire une dépression dans la chambre d'admission 6, qui favorise l'échappement des gaz d'échappement des machines. A la sortie de cette chambre d'admission 6 se trouve une canalisation interne de mélange 7 dans lequel le mélange double phase des gaz d'échappement et de l'eau captée s'effectue sur une certaine longueur. En effet, dans ce but, cette canalisation de mélange 7 a une longueur six fois plus importante que son diamètre. Dans le but de diminuer la puissance dissipée par un tel procédé, au moyen de ce système, un divergent 8 est placé en sortie de la canalisation de mélange 7 pour ralentir le mélange double phase et récupérer un maximum de pression. Pendant ce ralentissement, les gaz d'échappement dont la température à la sortie des machines peut atteindre 500 C, sont refroidis par contact jusqu'à une température avoisinant celle de l'eau captée. Il est ainsi envisagé, de capter de l'eau à 15 et de rejeter un mélange double phase à 25 . La figure 2 montre schématiquement un navire de fort tonnage, à savoir un porte-avions 1 surmonté de sa structure supérieure 2, sans cheminée. Le système selon l'invention est placé dans la partie inférieure du porteavions 1, à l'arrière de celui-ci. L'écope 3 est immergée au niveau de la partie inférieure de la coque, la pompe de circulation 4 est placée à l'intérieur du porte-avions. La partie terminale du système, constituée de la chambre d'admission 6, de la canalisation de mélange 7 et du divergent 8 peut être placée à l'extérieur de la coque du navire. On constate que le divergent 8 est placé juste au-dessus de la surface de l'eau, en dessous du niveau du pont 17 du porte-avions 1. En référence à la figure 3, le système selon l'invention est implanté dans la partie arrière du porte-avions 1, en dessous du pont 13 de celui- ci. Sur cette figure sont schématisées quatre machines thermodynamiques 14, par exemple des moteurs diesels dont les gaz d'échappement sont collectés par des tubulures d'échappement 15. Chacune d'elles débouche dans un échangeur de chaleur 16 du type haute température, qui permet de capter une partie de l'énergie thermique issue de ces gaz d'échappement, dans le but de faire fonctionner des installations machines ou dispositifs du porte-avions 1. On pense en particulier aux catapultes de propulsion des avions. En effet, il est possible d'extraire 10 à 20 % de l'énergie de ces gaz pour alimenter les catapultes en vapeur. Les gaz ainsi refroidis partiellement, mais étant encore à une température de plusieurs centaines de degrés Celsius, sont acheminés par des collecteurs d'échappement 11 débouchant chacun dans une chambre d'admission 6. On note qu'un système selon l'invention a été installé sur chaque bord du porte-avions 1. La canalisation de mélange 7 et le divergent 8 étant placés à l'extérieur de la coque du navire. Ceci n'est qu'une réalisation possible de l'invention, le procédé pouvant être adapté à la puissance de chacun des navires sur lequel il doit être utilisé, notamment en adaptant le nombre de système au nombre de machines. On conçoit que, avec le procédé selon l'invention, les effets de turbulences dus aux échappements de cheminées sur les porte-avions traditionnels soient supprimés. Ceci présente un énorme avantage pour les pilotes devant apponter sur le porte-avions. De plus, la signature infrarouge du navire est fortement diminuée. REVENDICATIONS 1. Procédé d'échappement et de refroidissement des gaz d'échappement de la ou des machines thermodynamiques (14) d'un navire, consistant à refroidir les gaz d'échappement par mélange dans l'eau sur laquelle se trouve le navire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à créer une circulation naturelle de l'eau à l'intérieur du navire, de l'avant vers l'arrière pour procéder au refroidissement par mélange des gaz d'échappement dans lequel l'eau est injectée. 3. Procédé selon la revendication 2, 15 caractérisé en ce que l'injection de l'eau est forcée par une pompe de circulation (4). 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'injection de l'eau se fait dans une chambre d'admission (6) al---môëri de p7üs ëùrs injecteurs d'eau (12). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger les gaz d'échappement et l'eau à la sortie de la chambre d'admission (6) dans une canalisation de mélange (7) sur une certaine longueur. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à récupérer de l'énergie à la sortie du système au moyen d'un divergent (7). 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à évacuer le mélange obtenu juste au-dessus de la ligne de flottaison du navire (1). 8. Système d'échappement et de refroidissement des gaz d'échappement de la ou des machines thermodynamiques (14) d'un navire (1) comprenant: - un collecteur d'échappement des gaz (11) des machines thermodynamiques (14) de propulsion du navire; une écope (3) pour faire entrer l'eau, placée dans la partie inférieure du navire (1) ; - une canalisation d'admission d'eau (5) à la sortie de écope (3) ; - au moins un injecteur d'eau (12) placé dans 15 une chambre d'admission (6) des gaz d'échappement, placés à la fin de la canalisation d'admission d'eau (5) ; - une canalisation de mélange (7) placée à la sortie de la chambre d' admissio-n --(-6-)-- et dé-b-ou-chant--e-rr-- arrière du navire (1) par rapport à écope (3). 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une pompe de circulation (4) placée à l'entrée de la canalisation d'admission (5). 10. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un convergent (13) dans la chambre d'admission (6) au niveau du au moins un injecteur d'eau (12). 11. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la canalisation de mélange (7) a une longueur égale à six fois son diamètre. 12. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend un divergent (8), placé à la sortie de la canalisation de mélange (7). 13. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sortie du système débouche à l'arrière du navire (1), juste au-dessus de la ligne de flottaison du navire (1).