Brevet FR3128749A1 — publié le 20230505

La trompe hydraulique (1) comporte au moins un organe d’arrivée d’eau (5), un moyen d’incorporation d’air (12) à l’eau par effet Venturi, un tuyau (6) de chute par gravité du mélange air et eau, un organe de séparation (8) de l’eau et de l’air comprimé en sortie (7) du tuyau (6), un organe de collecte d’air comprimé. La trompe (1) est positionnée sur un plan d’eau (2), l’organe d’arrivée d’eau (5) étant au-dessus de la ligne d’eau (4) et comportant le moyen d’incorporation d‘air à l’eau, le tuyau (6) de chute étant placé verticalement sous l’organe d’arrivée d’eau (5) et s’étendant dans le plan d’eau, son extrémité inférieure ouverte (7) étant insérée dans l’organe de séparation (8) de l’air et de l’eau à partir de la face supérieure (80) de l’organe de séparation (8) orientée vers la ligne d’eau (4) du plan d’eau (2), ledit organe ayant au moins une partie de son fond (9) ouvert et situé au voisinage du plancher (3) du plan d’eau (2), l’extrémité ouverte (7) du tuyau (6) étant située à l’aplomb du fond (9) de l’organe de séparation (8). Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1 TROMPE HYDRAULIQUE La présente invention concerne une trompe hydraulique. Une trompe hydraulique est une installation permettant de comprimer de l’air aspiré dans une colonne d’eau par effet Venturi. La hauteur de la colonne d’eau permet de comprimer l’air. De telles installations, connues depuis le XVIème siècle, ont été utilisées pour ventiler des galeries de mine ou en remplacement des soufflets de forge. De telle trompes hydrauliques ont été employées jusqu’en 1988 pour la ventilation de mines en Allemagne. A la fin du XIXème et au début du XXème siècle des améliorations apparaissent qui permettent de produire de l’air comprimé. La séparation de l'air et de l'eau se fait au fond d'un siphon inversé, afin d'obtenir un air à la pression hydrostatique générée par la hauteur de la colonne d’eau. Dans de telles installations la chute d’eau est réalisée par des tuyaux de plusieurs mètres de long, voir dizaines de mètres de long, enterrés dans le sol et donc indépendants de la chute d’eau qui alimente l’installation. Il est ainsi possible d’utiliser l’air comprimé comme une source d’énergie, par exemple pour faire fonctionner des génératrices d’électricité ou des machines. On connait de telles installations par US-B-892772, GB-B-210228, GB-B-249613, US-B-1000345 ou encore GB-B-530898. Plus récemment, US-B-6276140, US-B-4307299 ou US-B-7696632 ont décrits des dispositifs de production d’énergie basés sur ce principe. Néanmoins, le fait que les trompes hydrauliques nécessitent d’importants travaux de génie civil, en particulier la nécessité de réaliser des travaux souterrains profonds lorsqu’elles sont installées à terre, sur plusieurs dizaines ou centaines de mètres impactent l’intérêt de ce type d’installation. Dans tous les cas, pour une installation terrestre, la hauteur de la chute d’eau reste limitée à quelques dizaines de mètres, ce qui de facto limite les valeurs des pressions atteintes. US-B-6638024, décrit un dispositif utilisant le lit d’une rivière pour recevoir un tuyau de descente du mélange eau et air, le tuyau débouchant au voisinage d’une chambre de collecte de l’air comprimé située dans l’océan. Ici, la sortie du tuyau comportant le mélange air et eau est située à proximité d’une cloche ayant des ouvertures en partie basse de sa paroi. Les ouvertures servant à recevoir le mélange eau et air et à évacuer l’eau. Ici, l’une des difficultés réside dans le maintien de la position relative du tuyau et de la cloche et par le fait que les ouvertures servent autant à faire rentrer le mélange eau et air dans la cloche qu’à l’évacuer. Il y a donc une possible perte de rendement due aux vitesses d’écoulement lorsqu’elles sont élevées en entrée et sortie de la chambre, le temps de séjour n’étant pas suffisant pour assurer le dégazage complet de l’eau avant sa sortie de la cloche. Par ailleurs, l’installation utilise un lit de rivière associé à un plan d’eau, lac ou océan, ce qui nécessite la réalisation de structures complexes à mettre en place et à maintenir dans l’océan et le lit de la rivière. L’invention propose une solution permettant de réaliser une trompe hydraulique avec un minimum de pièces, aisée à positionner et à maintenir en place, à des couts maitrisés et offrant un rendement optimal. A cet effet, l’invention a pour objet une trompe hydraulique comportant au moins un organe d’arrivée d’eau, un moyen d’incorporation d’air à l’eau par effet Venturi, un tuyau de chute par gravité du mélange air et eau, un organe de séparation de l’eau et de l’air comprimé en sortie du tuyau de chute, un organe de collecte d’air comprimé, caractérisée en ce que la trompe est positionnée sur un plan d’eau, l’organe d’arrivée d’eau étant au-dessus de la ligne d’eau et comportant le moyen d’incorporation d‘air à l’eau, le tuyau de chute étant placé verticalement sous l’organe d’arrivée d’eau et s’étendant dans le plan d’eau, son extrémité inférieure ouverte étant insérée dans l’organe de séparation de l’air et de l’eau à partir de la face supérieure de l’organe de séparation orientée vers la ligne d’eau du plan d’eau, ledit organe ayant au moins une partie de son fond ouvert et situé au voisinage du plancher du plan d’eau, l’extrémité ouverte du tuyau de chute étant située à l’aplomb du fond de l’organe de séparation. Ainsi, grâce à l’invention on dispose d’une trompe hydraulique ne nécessitant qu’un minimum d’éléments et aisée à réaliser et à positionner sur tout type de plan d‘eau, en l’adaptant à la profondeur de ce dernier donc à la pression souhaitée en air comprimé. L’invention permet de réaliser un organe de séparation dans lequel l’eau provenant de la trompe sort directement dans le plan d’eau, à la même pression que l’eau environnante alors que l’air comprimé, qui a tendance à remonter en surface, s’accumule dans l’organe de séparation. Il est ensuite possible de récupérer cet air comprimé en l’envoyant vers la surface ou de le stocker au fond du plan d’eau. L’invention permet ainsi d’optimiser la production d‘air comprimé, cela à diverses pressions, à moindre cout et en disposant de grandes quantités d’air comprimé. Selon des aspects avantageux mais non obligatoires de l’invention, une telle trompe hydraulique peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : Tout le fond de l’organe de séparation est ouvert. L’extrémité ouverte inférieure du tuyau de chute est évasée en entonnoir. L’extrémité inférieure ouverte du tuyau de chute est positionnée à l’aplomb d’un organe de régulation du débit de sortie du mélange air et eau, ledit organe de régulation étant configuré en un cône cylindrique posé sur le plancher du plan d’eau dont la base est orientée vers la ligne d’eau du plan d’eau. Le cône cylindrique comprend un relief de répartition du mélange air et eau dans le cône situé en position centrale dans la base du cône, dans le prolongement de l’axe longitudinal central du tuyau de chute. Le moyen d’incorporation d‘air par effet Venturi comprend un organe mobile en translation dans le tuyau de chute, sa position dans ce dernier assurant un réglage du débit d’air incorporé dans l’eau. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: est une représentation schématique simplifiée d’une trompe hydraulique conforme à un mode de réalisation de l’invention et est une vue schématique partielle d’une partie de la trompe hydraulique illustrant un mode de réalisation du moyen d’incorporation d’air par effet Venturi. La est une vue schématique d’une trompe hydraulique 1 en position dans un plan d’eau 2. Ici le plan d’eau 2 est représenté par son plancher 3 et par la ligne d’eau 4, en pointillés. Un tel plan d’eau 2 peut être un lac, un étang, une ancienne carrière inondée, une retenue de barrage ou l’océan. On choisira le plan d’eau en fonction de sa profondeur, de sa facilité d’accès et des conditions météorologiques rencontrées. Ainsi, selon les besoins en air comprimé, en terme de pression et de volume, selon le fait que l’air comprimé sera utilisé en direct ou stocké, on choisira tel ou tel plan d’eau. Dans tous les cas, le plan d’eau 2 doit avoir une profondeur d’au moins 20 mètres afin de pouvoir fournir un air comprimé à au moins 2 bars en pression relative. Avantageusement la profondeur du plan d'eau est comprise entre 20 m et 300 m ce qui permet d'obtenir une pression relative de 2 bars à 30 bars tout en restant à des profondeurs où une intervention, humaine, par des dispositifs autonomes ou par des robots, pour assurer l’installation et la maintenance est possible. En partie haute en regardant la la trompe hydraulique 1 comprend un réservoir numéroté 5 situé au-dessus de la ligne d'eau 4. Le réservoir 5 a des dimensions et une configuration géométrique adaptées pour assurer une alimentation régulière en eau d’un tuyau de chute 6, réalisé en un matériau rigide ou, en variant, non rigide afin de conférer une certaine souplesse au tuyau de chute 6. Avantageusement, l’eau provient du plan d’eau dans lequel est installée la trompe 1, par exemple par pompage ou un autre moyen connu en soi. Le réservoir 5 permet également par effet Venturi d'incorporer de l'air dans l’eau qui est introduite dans le tuyau 6 de chute. Le tuyau 6, dit également tuyau de descente par la suite, a une longueur comprise entre 20 et 300 mètres, selon la profondeur du plan d’eau, en accord avec la gamme de pressions recherchées. On conçoit que, dans tous les cas, la longueur du tuyau 6 est adaptée à la profondeur du plan d’eau et aux contraintes liées à une installation sous-marine profonde, à savoir des contraintes de poids, de pression, de stabilité face aux conditions climatiques et aux facilités d’accès pour la maintenance et l’installation. Avantageusement le tuyau 6 de chute est maintenu en position globalement verticale et avec une dérive limitée, c’est à dire en position globalement immobile par rapport à un amer donc un point fixe pris soit sur le plancher 3 du plan d’eau soit à terre, par des dispositifs de flotteur et/ou d'ancrage. Dans le cas d’amarrage à des flotteurs, il peut s'agir de flotteurs à flottabilité positive c'est-à-dire toujours positionnés en surface du plan d'eau au niveau de la ligne d’eau 4 ou bien des flotteurs à flottabilité neutre c'est-à-dire placés à différentes profondeurs entre la ligne d’eau 4 et le plancher 3 du plan d'eau, les flotteurs restant à la profondeur à laquelle ils ont été initialement placés. L’ancrage du tuyau 6 peut se faire via des câbles arrimés au plancher 3 du plan d’eau et/ou à terre. En variante, l’installation est mobile sur le plan d’eau, par exemple à partir d’un navire recevant la partie aérienne de la trompe hydraulique1 et maintenant en position la partie sous-marine. Selon un autre mode de réalisation, la trompe hydraulique 1 est installée à partir d’une plateforme d’exploitation sous-marine, telle une plateforme pétrolière. On conçoit que le tuyau 6, ainsi que l’ensemble des éléments et organes constitutifs de la trompe 1, qu’ils soient en en contact ou non avec l’eau, sont réalisés en un matériau insensible à la corrosion par l’eau, en particulier résistant à la corrosion marine, et adaptés pour résister aux pressions rencontrées au niveau du plancher 3 du plan d'eau de manière à maintenir un passage constant de l'eau entre la surface, donc la ligne d’eau 4 et le plancher 3. L'extrémité ouverte inférieure 7 du tuyau 6 de chute est, selon un mode de réalisation avantageux, évasée en forme d'entonnoir. De la sorte l’eau contenant les bulles d'air qui s'écoule par gravité depuis le réservoir 5 ont une vitesse qui augmente tout le long de la descente du tuyau 6 et qui va ralentir en sortie du tuyau 6, par augmentation du diamètre de passage de l’eau dans l’extrémité 7. Cette extrémité ouverte 7 est insérée dans un organe 8 qui, de facto, est un organe de séparation de l'air et de l'eau et également de stockage de l'air. Afin d'offrir une résistance optimale à la pression ambiante dans le plan d’eau à la profondeur considérée, la forme retenue préférentiellement pour l’organe 8 est celle d'une demi-sphère ou cloche. Par la suite, le terme cloche sera préférentiellement employé. En variante d'autres formes peuvent être retenues, par exemple en forme de fuseau allongé. Les dimensions de la cloche 8 sont adaptées pour assurer la collecte et le stockage d’un volume d’air comprimé de quelques mètres cube à plusieurs dizaines de mètres cube. Le tuyau 6 est inséré dans l’organe 8, quelle que soit la forme de ce dernier, à partie de la face supérieure 80 de l’organe 8 orientée en direction de la ligne d’eau 4. En variante, le tuyau 6 de descente est inséré ailleurs dans l’organe 8 qu’à partir de la face supérieure 80. Ainsi le tuyau 6 s’étend verticalement, ou dans une position la plus proche possible de la verticale, entre le réservoir 5 et le plancher 3 du plan d’eau. L’organe 8 coiffe complétement l’extrémité 7 du tuyau 6 qui se trouve ainsi au voisinage de la base ou fond 9 de la cloche 8. L'ouverture de l'extrémité 7 est située à une altitude supérieure à l'altitude de la base 9 de la cloche 8. Avantageusement cette différence d’altitude H correspond, au plus, au tiers de la hauteur de l’organe 8. Dans tous les cas cette différence d’altitude H est adaptée pour assurer une sortie régulière, continue et maitrisée de l’eau et de l’air. L’extrémité 7 est entourée sur une hauteur supérieure à la différence d'altitude H entre l'extrémité 7 et la base 9 de la cloche 8 par un organe 10 de forme conique cylindrique ouvert vers le haut. L’organe 10 est un organe de régulation du débit de sortie du mélange eau et air. Cette ouverture ménagée dans la partie haute du cône 10 correspond à la base 100 du cône 10. Un relief 11, ici illustré en forme de triangle, est positionné sur la base 9 de la cloche 8, dans la partie définissant le sommet du cône 10. Le relief 11 est sensiblement aligné dans le prolongement d’un axe central longitudinal A du tuyau 6. En variante le relief 11 est d’une autre forme géométrique que celle illustrée. De même, plusieurs reliefs, de forme et/ou dimensions identiques ou non, peuvent être utilisés. La base 9 de la cloche 8 est, au moins sur une partie, ouverte de manière à laisser un passage entre le volume intérieur de la cloche 8 et l'extérieur. Selon un mode de réalisation avantageux illustré ici, la base 9 est ouverte sur l'ensemble de sa surface. En d‘autres termes le fond 9 est alors confondu avec le plancher 3 du plan d’eau. Ainsi l'organe 8 à la forme d'un bol renversé sur le plancher 3 du plan du plan d’eau. Cela implique que le sommet du cône 10 est ouvert, le relief 11 étant posé sur le plancher 3. Le cône 10 est donc formé par une paroi fixée angulairement sur le plancher 3 et entourant l’extrémité 7. Un tel mode de réalisation permet de limiter l’emploi de matériau et surtout facilite la fixation des éléments, par exemple par ancrage sur le plancher 3 tout en limitant les effets de la pression sur les matériaux, les volumes n’étant pas fermés. Il n’est donc pas nécessaire de fabriquer des éléments en matériaux résistant à la pression régnant au niveau du plancher 3, de tels matériaux étant généralement couteux et/ou complexes à mettre en œuvre. La illustre un mode de réalisation d’un moyen d’incorporation d’air par effet venturi. L’air est ici entrainé dans le tuyau 6 de descente par l’eau s’écoulant dans celui-ci, cela du fait du débit de l’eau dans le tuyau 6. Au niveau de la jonction entre le réservoir 5 et le tuyau 6 de descente on introduit un organe 12 en forme de lance, mobile en translation selon l'axe longitudinal A du tuyau 6. Selon la position occupée par cet organe 12 dans le tuyau 6 on fait varier la quantité d'air incorporé dans l'eau en partie haute du tuyau 6 donc la richesse en air du mélange air et eau en sortie du réservoir 5. En d'autres termes cela permet de gérer la quantité d'air qui sera comprimé. Le fonctionnement d'une telle trombe hydraulique 1 est maintenant décrit en référence aux diverses figures. Lorsque l'on introduit par des moyens connus en soi de l’eau dans le réservoir 5 celle-ci s'écoule dans le tuyau 6 par gravité en direction de l'extrémité 7 du tuyau 6 qui est en position verticale dans le plan d’eau. La configuration de la jonction entre le tuyau 6 et le réservoir 5 est-telle que de l’air est incorporé par effet Venturi dans le tuyau 6, l’écoulement de l’eau à vitesse élevée entrainant des bulles d’air. La hauteur de chute, liée à la longueur du tuyau 6 de chute, et le fait que le tuyau 6 de chute est vertical permet de générer une vitesse d’arrivée du mélange en sortie de tuyau élevée, cela avec un débit important déterminé par la différence de niveau entre la ligne d’eau dans le réservoir 5 et la ligne d’eau 4 du plan eau 2 . Arrivé au niveau de l'extrémité 7 le mélange air et eau se trouve à la pression hydrostatique régnant au niveau du plancher 3 du plan d'eau. La forme de l’extrémité 7 permet un ralentissement du débit de sortie du mélange eau et air et le maintien d’un débit constant en sortie de tuyau 6. De la sorte, on initie la séparation entre l’eau et les bulles d’air, celles-ci n’étant plus entrainées par l’écoulement de l’eau. L'air présent au niveau de l’extrémité 7 est comprimé à la même pression que l'eau arrivant avec l'air au niveau de l'extrémité 7 et que l’eau du plan d’eau dans l'environnement immédiat de l'extrémité 7 au niveau du plancher 3 du plan d'eau. La hauteur d’eau, de facto la profondeur du plan d’eau, étant considérée comme constante au niveau de la zone occupée par le dispositif sur le plancher 3, la pression régnant dans le dispositif est considérée comme constante en tout point du dispositif. Par les ouvertures, ou comme cela est illustré à la par la base ouverte 9 de la cloche 8, l’eau arrivant par l'extrémité 7 s'échappe de la cloche 8 et se mélange à celle du plan d'eau selon la flèche F. On conçoit qu’il faut un passage entre la cloche 8 et le plancher 3 pour que l’eau s’échappe. Ici, la flèche F représente le passage de l’eau vers l’extérieur, à partir de la base 9 ouverte sur le plancher 3 L'air a tendance également à s'échapper de l’extrémité 7 et à regagner la surface mais il suivra le trajet illustré par la flèche F1. La paroi de la cloche 8 permet de retenir cet air dans la cloche 8 et qui est donc comprimé à la pression régnant au niveau de la cloche 8. Le débit du mélange en sortie de l’extrémité 7 et la présence de l’air dans la cloche 8 assure une sortie régulière de l’eau de la cloche 8 tout en évitant son entrée Il est ainsi possible soit de stocker l’air comprimé dans la cloche 8 soit, par un dispositif de récupération telle qu'une tuyauterie 13 schématiquement représentée, pour récupérer cet air comprimé et l'amener en surface ou ailleurs dans le plan d'eau pour être utilisé, par exemple comme source d'énergie. La présence du cône 10 augmente le temps de séjour du mélange eau et air dans la cloche 8. Le fait que le cône 10 entoure l‘extrémité ouverte 7 permet de canaliser et d'orienter les bulles d’air en direction du haut de la cloche 8 ce qui limite, si ce n'est évite, toute perte d'air comprimé par la base ouverte 9 de la cloche 8 tout en régulant le débit de sortie. Le relief 11 quant à lui assure une répartition homogène et régulière du mélange eau et air dans le cône 10. Le cône 10 et le relief 11 forment des chicanes permettant de ralentir le débit du mélange eau et air, de canaliser le trajet de l’eau et celui de l’air tout en favorisant le dégazage du mélange en créant un écoulement de sortie du tuyau 6 turbulent. la hauteur du cône 10 est adaptée en fonction du débit de sortie du mélange eau et air par l’extrémité 7. Cette hauteur du cône 10 est au moins égale à la moitié du diamètre du tuyau 6 de chute. Dans un mode de réalisation avantageux, au moins une purge est prévue sur la paroi de la cloche 8, en partie basse et positionnée sensiblement à la même altitude que le débouché de l’extrémité 7. Cette purge est formée par au moins une ouverture réalisée dans la cloche 8 et elle est située au-dessus de l’extrémité ouverte 7 du tuyau 6 de chute. De la sorte on réalise une purge sans pièce mobile . Ainsi, si l’air occupe majoritairement la cloche 8 et descend dans le cône 10, l’eau sera évacuée par cette purge vers l’extérieur, ce qui permettra de maintenir l’équilibre des pressions. Avantageusement, le plancher 3 est dur afin d’éviter toute érosion du fait de la chute d’eau au niveau de la base 9. on conçoit qu’il peut s’agir d’un plancher 3 d’origine naturelle et rocheux ou artificiel, par exemple une dalle en béton marin. Trompe hydraulique (1) comportant au moins un organe d’arrivée d’eau (5), un moyen d’incorporation d’air (12) à l’eau par effet Venturi, un tuyau (6) de chute par gravité du mélange air et eau, un organe de séparation (8) de l’eau et de l’air comprimé en sortie (7) du tuyau (6) de chute, un organe de collecte d’air comprimé, caractérisée en ce que la trompe (1) est positionnée sur un plan d’eau (2), l’organe d’arrivée d’eau (5) étant au-dessus de la ligne d’eau (4) et comportant le moyen d’incorporation d‘air à l’eau, le tuyau (6) de chute étant placé verticalement sous l’organe d’arrivée d’eau (5) et s’étendant dans le plan d’eau (2), son extrémité inférieure ouverte (7) étant insérée dans l’organe de séparation (8) de l’air et de l’eau à partir de la face supérieure (80) de l’organe de séparation (8) orientée vers la ligne d’eau (4) du plan d’eau (2), ledit organe ayant au moins une partie de son fond (9) ouvert et situé au voisinage du plancher (3) du plan d’eau (2), l’extrémité ouverte (7) du tuyau (6) de chute étant située à l’aplomb du fond (9) de l’organe de séparation (8). Trompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que tout le fond (9) de l’organe de séparation (8) est ouvert. Trompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l’extrémité ouverte inférieure (7) du tuyau (6) de chute est évasée en entonnoir. Trompe selon la revendication 2, caractérisée en ce que l’extrémité inférieure ouverte (7) du tuyau (6) de chute est positionnée à l’aplomb d’un organe de régulation du débit (10) du mélange eau et air, ledit organe de régulation (10) étant configuré en un cône cylindrique posé sur le plancher (3) du plan d’eau dont la base (100) est orientée vers la surface (4) du plan d’eau (2). Trompe selon la revendication 4, caractérisée en ce que le cône cylindrique (10) comprend un relief (11) de répartition du mélange air et eau dans le cône (10) situé en position centrale dans le cône (10), dans le prolongement de l’axe longitudinal central (A) du tuyau (6) de chute. Trompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen d’incorporation d‘air (12) par effet Venturi comprend un organe mobile en translation dans le tuyau (6) de chute, sa position dans ce dernier assurant un réglage du débit d’air incorporé dans l’eau.