FR 2597545 A1 19871023 FR 8705610 A 19870421 La présente invention est relative à un procédé de refroidissement de cavités souterraines. L'invention a été mise au point pour être appliquée dans les mines o une refroidissement est nécessaire pour la réalisation d'un environnement de travail acceptable et, dans ce qui suit, elle sera envisagée de ce point de vue; cependant, son utilité s'étend à d'autres installations souterraines, comme par exemple aux dépôts de déchets atomiques. Jusqu'à présent, les mines situées à une grande profondeur étaient généralement refroidies au moyen d'eau refroidie envoyée par gravité dans la mine, généralement au moyen d'un certain nombre de stations A chute de pression ou à récupération d'énergie, et pompée de nouveau par étages depuis le fond jusqu'à la surface. Les coûts d'investissement et de fonctionnement correspondant à l'énergie de pompage, aux pompes, aux barrages, aux turbines de récupération de l'énergie, aux canalisations tubulaires à parois épaisses et à grand diamètre, aux opérations de ralentissement de la chute de l'eau et au pompage de l'eau à des vitesses de l'ordre de 1,6 tonnes par seconde sont énormes, notamment dans des mines situées à 3 000 mètres de profondeur ou davantage, o la température du sol vierge peut être comprise entre 30 et 25 même au delà de 90 C, ce qui augmente d'une manière considérable les dépenses de fonctionnement de la mine. Un procédé plus récent et plus efficace consiste à envoyer dans la mine de la glace au lieu d'eau refroidie. Ce procédé présente sur le procédé antérieur l'avantage que la glace est introduite à la vitesse terminale dans la mine au moyen de tubulures fonctionnant sous une pression assez faible pour arriver à des échangeurs glace-eau convenables, mais il présente les inconvénients résultant de la nécessité d'extraire l'eau de la 35 mine par pompage. Le but de l'invention est la mise au point d'un procédé de refroidissement souterrain dans lequel les inconvénients des procédés et des dispositifs connus sont atténués. Ce but est atteint, suivant l'invention, par l'utilisation d'un procédé de refroidissement d'une cavité souterraine située à une profondeur de 1000 mètres ou davantage qui comporte les opérations consistant à réaliser un circuit englobant la cavité et une station située à 1000 mètres ou plus au-dessus d'elle, à condenser au niveau de la station une vapeur d'un réfrigérant, à envoyer la vapeur du réfrigérant dans le circuit, à la faire se détendre dans la cavité et à ramener la vapeur détendue à la station o elle est de nouveau condensée. Sauf dans des cas exceptionnels, la station peut être placée à la surface du sol, o la chaleur produite par la condensation de la vapeur peut être évacuée sans difficulté. Suivant l'invention également, la vapeur de réfrigération est constituée par de l'ammoniac, pour des raisons indiquées ultérieurement. L'invention est décrite ci-dessous d'une manière plus détaillée au moyen d'un exemple de réalisation en se référant au dessin. La fig. 1 est un diagramme schématique représentant une installation permettant l'application du procédé suivant l'invention. La fig. 2 est un diagramme pression-enthalpie indiquant les enthalpies obtenues dans les constituants 30 du système. Les figures 3 et 4 sont des diagrammes représentant respectivement un système de réfrigération à l'eau, classique, et un système suivant l'invention. La fig. 1 représente un circuit de réfrigération 35 qui comprend un système d'évacuation de la chaleur correspondant au bloc 10, représenté en trait interrompu, qui est placé à la surface du sol, un système d'absorption de la chaleur correspondant au bloc 12 représenté en trait interrompu, qui est situé dans le sous-sol dans la 5 mine qui doit être refroidieet un circuit de réfrigération comprenant deux tuyaux 14 et 16 qui transportent le fluide réfrigérant et relient la station et la mine en passant par un puits 18, l'un, 14, étant un tuyau descendant, pour le liquide, et l'autre, 16 étant un tuyau 10 montant pour la vapeur. Les tuyaux peuvent être placés dans une partie cloisonnée d'un puits 18, mais il est préférable, pour des raisons de sécurité qui seront indiquées ultérieurement qu'ils soient placés dans un trou foré séparé et isolé du puits de mine. Le système 10 d'évacuation de la chaleur comprend un compresseur 20, un condenseur 22 et une tour de refroidissement 24 ou d'autres dispositifs d'évacuation de la chaleur. La station de surface comprend également un récepteur 26, un économiseur 28 facultatif, un tambour pour sautes de pression 30 et tous les autres constituants que l'on trouve d'habitude dans une station de réfrigération, notamment une pompe 32, un tiroir de détente 34 entre le récepteur 26 et l'économiseur 28 et un tiroir de détente 36 entre l'économiseur et le tambour 25 pour sautes de pression 30. Le tambour pour sautes de pression 30 peut être en surface ou au fond, ou encore il peut y avoir un tambour pour sautes de pression dans la station de surface et un tambour pour sautes de pression au fond de 30 la mine, comme l'indiquent les références 30 et 38 de la fig. 1. Un compresseur 40 peut se trouver au fond dans le circuit de réfrigération associé au tambour pour sautes de pression 38 placé au fond. Ce compresseur 35 reçoit la vapeur détendue provenant du circuit 12 - 1 d'absorption de la chaleur et la vapeur comprimée est transportée vers le haut par le tuyau de vapeur 16 jusqu'au compresseur de surface 20. Le compresseur 40 pourrait être placé à la surface ou être supprimé. Mais son utilisation présente, par rapport à un compresseur de surface ordinaire, l'avantage que l'on peut utiliser des tuyaux de vapeur de plus petit diamètre et que l'énergie totale du compresseur est réduite, ce qui a pour effet de réduire d'une 10 manière considérable les cots d'investissement et de fonctionnement. Le système d'absorption de la chaleur comprend un évaporateur 42, le circuit d'eau de refroidissement normal 44, une pompe 46 et le compresseur 40. En plus des tuyaux 14 et 16, le circuit de réfrigération comprend le tambour de surpression 38 situé au fond, une pompe 48 et une soupape de contr8le de la température 50, facultative. Pour le fonctionnement, la vapeur de réfrigéra20 tion est comprimée et envoyée au condenseur 22 et, de là, à l'économiseur 28 s'il y en a un. A mi-chemin de la phase de compression, la vapeur provenant du circuit d'économiseur est renvoyée à l'étage intermédiaire au compresseur 20 A partir du tambour pour sautes de pression 30, ce qui réalise un cycle de réfrigération à deux étages efficace. La vapeur surchauffée et comprimée qui passe dans le condenseur 22 est liquéfiée et sous refroidie. Le liquide va ensuite à l'économiseur 28, s'il y en a un, 30 et le cycle de surface se répète. S'il n'y a pas d'économiseur, la vapeur va directement du receveur 26 au tambour pour sautes de pression 30. Le courant de vapeur pénètre dans le tambour pour sautes de pression 30 par le tiroir de détente 34, ce qui provoque sa vaporisation partielle. La vapeur va du tambour de surpression 30 au compresseur 20. Le liquide descend du tambour de surpression 30 en suivant le tuyau à liquide 14 jusqu'au tambour de surpression 38, traverse la pompe 46, l'évaporateur 42, revient au tambour de surpression 38, traverse le compresseur 40, remonte dans le tuyau à vapeur 16, et 10 revient au condenseur 22. Le cycle est terminé.Les figures et la description précédentes sont évidemment simplifiées et il est évident que le système peut comprendre en principe, dans la partie évacuation et absorption de la chaleur, des compresseurs d'accumulation 15 et d'évacuation et des dispositifs analogues de manière à réaliser un système de grande puissance dans lequel les effets de la gravité sur le produit réfrigérant contenu dans les tubes 14 et 16 puissent être contre-balancés. Bien qu'il soit possible d'utiliser de nombreux 20 produits réfrigérants dans le système suivant l'invention, il est préférable d'utiliser de l'ammoniac en raison de la valeur élevée de sa chaleur latente de vaporisation et de sa grande densité de vapeur. Ces deux propriétés de l'ammoniac utilisé comme réfrigérant permettent de ne faire intervenir que des volumes et des masses liquides réduites et par conséquent de réduire les débits et les dimensions des tuyaux et des compresseurs. De plus, l'ammoniac ne provoquant pas de corrosion de l'acier, les problèmes de formation de la rouille posés 30 par l'utilisation de l'eau et de la glace sont supprimés. En raison des dangers que peut présenter l'ammoniac utilisé comme réfrigérant, si le puits 18 est utilisé pour faire passer les tuyaux 14, 16, il faut que ce soit un puits de retour et la partie d'absorption de la chaleur du système doit être à proximité de la base du puits, de sorte que l'ammoniac qui pourrait accidentellement s'échapper du système A l'emplacement de travail soit aspiré dans le puits et envoyé loin de l'emplacement de travail dans la mine. En raison de leur faible diamètre, les tuyaux 14, 16 peuvent être placés dans une portion cloisonnée d'un puits de ventilation de retour. Les fuites qui pourraient se produire dans ces tuyaux seraient entralnées par l'air de retour dans le puits. Pour augmenter la sécurité, si les fuites de vapeur sont supérieures à ce que le tirage vers le haut peut absorber, la mine doit être organisée de manière que l'emplacement de travail puisse être nettoyé par un court circuit de l'air envoyé vers le bas et par le soufflage 15 d'un grand volume d'air à l'emplacement de travail avec remontée par le puits 18. Cependant, même ces précautions ne sont pas suffisantes en raison des règles de sécurité dans les mines. De ce fait, la meilleure solution consiste en ce 20 que les tuyaux soient placés dans un trou foré indépendant des puits de mines normaux. Comme les tuyaux ont un faible diamètre, même quand les mines ont une profondeur de 4000 mètres ou davantage, un trou foré d'un mètre de diamètre suffit à les contenir. L'installation souter25 raine doit être placée à proximité du fond du trou foré et des dispositifs doivent pouvoir assurer le nettoyage de l'emplacement de travail dans les conditions déjà indiquées. De nombreuses comparaisons ont été faites pour déterminer l'efficacité, les coûts d'investissement et de fonctionnement des systèmes de réfrigération utilisant de l'eau, de l'eau avec récupération d'énergie (ER), de la glace, de la vapeur d'eau, de la vapeur d'ammoniac et de la vapeur du réfrigérant R12 (dichlorol difluorol mé35 thane). MW(R) A LA PROFONDEUR DE 3 KM tABIúAU 1. 1 2 3 4 5 6 A METHODE DE REFROIDISSEMENT 0,5 d'eau Glace Vapeur d'ea Mniac 0,5- C avec ER à OC à O C -2'C à -2 C _ Refroidissement. kJ/kg8 85,79 112,21 421, 38 2 471,45 1 240,8 118,62 spécifiaue kJ /à3 85 788 112 207 421 381 11,99 3 989,7 2 339,3 C pps qu ompage kJ/kg 39,14 14,19 39,14 39,14 39,14 39, 14 pression.771," adevaporation))kJ/3 39 l0 14 188 39 140 0,1899 125,85 771,99 - Puissane de pompage D palr uo e reroidissement kJ(P)/kJ(R) 0, 4562 0,1264 0,0929 0,0158 0,0315 0,330 E Liquiee à faire kg/s 1 166 891 237,31 40,46 80,59 843,03 circuler (à,ka oeji) a:*3s 1,166 0,891 0,2373 8 339 25,06 16 627,7 evaporaon), Diaétre e laolo ne de gO P 70IP 400 HP 23 000 LP 750 LP 32 000 LP Diamètre de la colonne d e * F pompage (pression dtévapo- 16 000 LP 750 LP 32 000 LP 100.551?2330001LP a on) 0 P50L 3 0L Mare Y vaporation tDamètrée de la colonne 300 LP 750 IP 400 LP 75 LP 150 LP 250 LP d'amenée (après condensation) C NOMBRE TYPE DE STATIONS DE POMPAGE Fluide descendant Zéro 2 ou 3 Zéro Zéro Zéro Zéro Fluide ascendant 2 ou3 2 ou 3 2 ou 3 Zéro, ou 1 Zéroou 1 Zéro oul H emdrraetrei.eepdu C de 1 eu rezoa pour usage souterrain 9,50C 1,50C OC O-C 0,5-C 0,S-C MW(R) - Mega Watts de réfrigération p aute pression ER. Système de récupérati.n d'énergie LP Basse pression -J N ro Un %O --d VI V1 Le tableau 1 met en évidence, par des comparaisons, l'efficacité du système et du procédé suivant l'invention et sa supériorité sur des systèmes connus, notamment sur la réfrigération par l'eau froide, par un système de récupération de l'énergie (ER), par la glace, par la vapeur d'eau, par l'ammoniac et par la vapeur de R12. Dàns le Tableau 1, chaque colonne du tableau 1 est fondée sur l 'obtention d'une refrigération de 100 mégawatts (Mw(R)) à une profondeur de 3000 mètres dans la mine. Les colonnes 1 à 3 du tableau groupement des résultats normaux pour des installations de refroidissement de mines couramment utilisées. Dans le cas de la 15 colonne 1, l'eau froide est envoyée directement dans la mine à la vitesse terminale sans récupération d'énergie; dans le cas de la colonne 2, l'eau froide qui arrive est freinée par des stations de récupération d'énergie et dans le cas de la colonne 3, la glace concassée est envoyée directement dans la mine o la chaleur latente de fusion de l'eau est utilisée pour le refroidissement des emplacements de travail. Dans la colonne 3, la chaleur spécifique et la chaleur latente de fusion de l'eau ainsi que l'élévation 25 de température potentielle de 25 C de la glace fondue ont été prises en considération comme gain d'énergie de frottement de la glace qui descend. Les colonnes 4 à 6 correspondent à des situations dans lesquelles il y a utilisation de la chaleur 30 latente de vaporisation moins le gain d'énergie de frottement des réfrigérants liquéfiés qui descendent. La ligne A correspond à la méthode de refroidissement. La ligne B correspond au refroidissement spéci35 fique de différentes substances utilisées pour la réfrigération d'une mine et indique, pour les colonnes 1 et 2, des chiffres qui sont fonction de la chaleur spécifique de l'eau et du gain d'énergie de frottement correspondant à la descente de l'eau ainsi qu'à l'action des systèmes de récupération d'énergie (colonne 2) associés à une élévation de température potentielle de l'eau d'environ 24,5 C. Les chiffres de la ligne B sont exprimés à la fois en KJ/kg et KJ/m3 aux températures de la ligne A. La ligne C indique la puissance de pompage spécifique moins toute énergie qui pourrait être récupérée (colonne 2) exprimée à la fois en KJ/Kg et KJ/m3 du fluide qui circule. Cette puissance de pompage représente seulement la partie de la puissance de pompage qui est nécessaire pour surmonter les forces de la pesanteur qui sont normalement de 95 à 98 % de la puissance de pompage totale utilisée dans les circuits de réfrigération primaire classique des mines. Les chiffres de la ligne D sont obtenus en divisant la première ligne de chiffres de la ligne C par la première ligne de chiffres de la ligne B de manière A obtenir la puissance de pompage par unité de réfrigération qui est exprimée soit en KJ (pcmpage)/KJ(réfrigération) en KW(pompage) /KW(réfrigération). 25 Ces chiffres montrent que c'est la vapeur d'eau (colonne 4) qui demande la plus faible puissance de pompage par unité de réfrigération et que c'est l'ammoniac (colonne 5) qui vient en deuxième lieu, la glace et l'eau venant ensuite. La ligne E indique la quantité des liquides à faire circuler pour obtenir 100 MW de réfrigération et les chiffres sont exprimés à la fois en kg/s et en m3/s. Dans le cas des colonnes 1 à 3 le volume (m3) est celui du iiquide et, dans le cas des colonnes 3 à 6, celui de 35 la vapeur saturée aux températures de la ligne A. La ligne E montre que c'est le système de vapeur d'eau (colonne 4) qui demande le moins de liquide à faire circuler, l'ammoniac (colonne 5) étant suivi de nouveau par la glace, le réfrigérant R12, le système de récupéra5 tion d'énergie par l'eau de la colonne 2 et le système de la colonne 1. Si l'on tient compte maintenant des débits en volume, on voit que le débit en volume de glace est le plus bas de tous les procédés classiques et que celui de l'ammoniac est le plus bas pour les procédés utilisant de 10 la vapeur d'eau ou des produits réfrigérants. En appliquant les vitesses typiques aux volumes de liquides de la ligne E dans l'ordre de grandeur des tuyaux, des pompes ou des dispositifs de compression équivalents, les chiffres des lignes 1 et 2 de la ligne F 15 correspondent à des fluides ascendants et descendants. Dans les colonnes 4 à 6, la ligne 1 indique les dimensions des tuyaux et des pompes ou du compresseur pour les produits réfrigérants sous forme de vapeur à l'état non comprimé, correspondant aux températures de saturation 20 données dans la ligne A. La ligne 2 groupe les chiffres obtenus lorsque les fluides sous forme de vapeur sont comprimés jusqu'aux températures normales de condensation. Les lignes I et 2 montrent à nouveau que c'est la glace de la colonne 3 qui demande la colonne de pompage 25 de plus faible diamètre et que l'ammoniac vient ensuite. Cependant, il y a entre les deux systèmes une grande différence en ce que le tuyau d'ammoniac 16 est un tuyau à faible pression ne comportant pas de stations de pompage et que le tuyau de retour d'eau de la colonne 3 30 est un tuyau à haute pression comportant deux ou trois stations de pompage. La ligne 3 de la ligne F indique des dimensions de tuyaux normaux pour les fluides qui descendent et montre que c'est le système de vapeur d'eau de la colonne 4 qui demande le tuyau de plus petit diamètre, 35 l'ammoniac et le R12 venant ensuite. Dans ce cas également il n'est pas nécessaire qu'il y ait des stations de récupération d'énergie dans le tube 14. La ligne G indique le nombre type de stations de pompage et de récupération d'énergie qui sont nécessaires 5 dans un système particulier. Dans le cas des systèmes des colonnes 4, 5 et 6, les compresseurs situés au fond sont considérés comme des stations de pompage. La ligne H indique les températures typiques auxquelles chacun des systèmes pourrait fournir de l'eau 10 pour le refroidissement du fond. A partir des remarques précédentes, et en négligeant momentanément le système de vapeur d'eau de la colonne 4, il est évident que le système à l'ammoniac est le plus économique et le plus pratique de tous les systèmes envisagés pour des mines de grande profondeur, pour les raisons suivantes: a) les frais de pompage sont relativement bas b) le diamètre des tuyaux nécessaires est relativement faible c) les taux de pression des tuyaux sont faibles par rapport à ceux des systèmes existants d) le nombre des compresseurs de déplacements positifs nécessaires est le plus faible e) il faut tout au plus l'équivalent d'une 25 station de pompage f) il n'est pas nécessaire qu'il y ait des stations de récupération d'énergie g) il n'est pas nécessaire qu'il ait des barrages d'eau et h) il est possible de réaliser la réfrigération à deux ou à plusieurs étages, ce qui augmente l'efficacité du cycle de réfrigération. Par contre, bien que sur le papier il offre certains avantages, le système à la vapeur d'eau n'est 35 pas pratique pour deux raisons principales: a) le système doit fonctionner sous un vide poussé et par conséquent exige des compresseurs de grandes dimensions "par volume" b) les tuyaux pour la vapeur ascendante exige des diamètres d'une largeur excessive. Des calculs ont été effectués pour comparer les paramètres de six systèmes de réfrigération, à l'eau, à l'eau avec récupération d'énergie (ER), à la glace, à la vapeur d'eau, à l'ammoniac et au réfrigérant R12, pour o10 des profondeurs de 1,2,3 et 4 km. Les chiffres correspondant à une profondeur de 3 km sont groupés dans le Tableau 1. Des calculs ont été effectués ensuite pour déterminer les coûts d'investissement et les dépenses d'énergie à différentes profondeurs. Les résultats sont groupés dans les Tableaux II, III, IV et V et mettent en évidence la supériorité du système à l'ammoniac sur les autres systèmes. A titre de parenthèse, il y a lieu de remarquer 20 qu'aucune comparaison n'a été effectuée pour des cavités situées à moins de 1000 mètres de profondeur, car il n'y a pas de problèmes sérieux d'évacuation de la chaleur si près du sol. C'est la raison pour laquelle les revendications du brevet se limitent à des systèmes dans lesquels 25 il est question de profondeur de l'ordre de 1000 mètres ou davantage ou à compter de 750 m et au delà. Il est admis en pratique (et on en a tenu compte dans cette étude) que la capacité de réfrigération pour une installation de surface doit être d'environ 20 KW/ par kg/s d'air sec et que le débit d'eau ne doit pas être inférieur à 0,06 l/s par KW(R). Pour les installations au fond, les chiffres correspondants sont de 30 et 40 KW(R), le débit d'eau étant le même que pour les installations de surface. ESTIMATIONS DES COUTS D'ENERGIE ET DU CAPITAL POUR 25 MW (R) A UNE PROFONDEUR DE 1 IGM COUT DU CAPITAL (EN MILLION DE g) TABLEAU II Système à l'ammoniac Système à zlace Usine de réfrigération (glace) avec évaporation et condensation en titane - à 1 çxclusion du systèmç de rejet de la chaleur du circuit d eau de re roidissement seçondaire, du tuyautage de puits, des constructions, des fondat ions et des terrassements. Tuyautage de puits et support yst me e récupération d'énergie ysteme e pompage Coût total de l'usine Système à eau Flgure V1 3 ài 3,75 M 3 a 3, 75 M à 12,5 M à M à O R M 2,25 à n _7 3 M 1,25 M 1 M 0 7q M 3,75 à..,4,75 M 11,25 à 14,25 M 9 3,75 d, 4,75 M 11,25 d l4,25 M 7 _ Ces estimations de coût en capital incluent la conception, la fourniture et l'installation de mécaniques, des tuyaux, de l'électricité, de l'instrumentation et du matériel et quelques charpentes métalliques de support mais non les travaux civils, les terrassements, les structures et les mesures de sécurité pour les systèmes à ammoniac. CONSOMMATION DE PUISSANCE Usine de réfrigération kW(E) Tour de pré-refroidissement kW(E) Puissance de pompage kW(E) Energie récupérée kW(E) Consommation totale de puissance kW(E) 3 980 7 000 750 3 050 400 3 250 (2 050) Coût total de puissance 3 980 7 825 4 650 ,95__ __ 1 7 l I 1 M815 M 6,95 M I 13.7 M I 8.15 M a e 740/kW(E) a Ces coûts de puissance exclus la puissance correspondant au circuit de refroidissement du condenseur et du circuit secondaire de refroidissement d'eau. II r No Ln n4 '1J Il % 1 E ESTIMATIONS DES COUTS D'ENERGIE ET DU CAPITAL POUR 50 NU (R) A UNE PROFONDEUR DE 2 KM COUT DU CAPITAL (EN MILLION DE I) TABLEAU III Usine de réfrigération (glace) avec évaporation et condensation en titane - 4 1 exclVsion au svstme de rejet de la ch#leur du circuit d eau de rerroidissement seóondasre, au àuyoutage de puits, des constructions, es on dat Ions et des terrassements. Tuyautage de puits et support stème de récupération d'énergie ystme e pomp ge Coût total de l'usine Système à l'ammoniac Figure 11I 6,25 à 7,5 H 2 a 2,25 M Svstam a ilace Fi20 à 25 MII Al 25 M I Système A eau F6gur5 MI 6,25 à 7,5 M 2,5 à 3,25 M 1,25 à 1,5 M 6,25 3,5 2,5 a 8,75 M a 4,25 M a 3,5 M 8,25 à 10 M 25,75 29,75 M 1 8,5 à 24 M 8,25 A 10 M j25,75.A 29,75 M [i18,5 A 24 M Ces estimations de coût en capital incluent la conception, la fourniture et l'installation de mécaniques, des tuyaux, de l'électricité, de l'instrumentation et du matériel et quelques charpentes métalliques de support mais non les travaux civils, les terrassements, les structures et les mesures de sécurité pour les systèmes à ammoniac. CONSOMMATION DE PUISSANCE Usine de réfrigération Tour de pré-refroidissement Puissance de pompage Energie récupérée Consommation totale de kW(E) kW(E) kW(E) kW(E) puissantce kW(E) 9 300 14 300 3 100 6 200 13 300 (8 450) ri n Vo n 'n "_ o 9 300 1750 11 450 116.25 M 1 30.7ff d.-.. Coût total de puissance a $ 740/kW(E) ____ _ 20,4 M Ces coûts de puissance exclus la puissance correspondant au circuit de refroidissement du condenseur et du circuit secondaire de refroidissement d'eau. ESTIMATIONS DES COUTS D'ENERGIE ET DU CAPITAL POUR IOOMW (R) A UNE PROFONDEUR DE 3 KH COUT DU CAPITAL (EN MILLION DE 5) TABLEAU IV Usine de réfrigération (glace) avec évaporation et condensation en titane - à 1 çxclysiàn du système de rejet de la chaleur du circuit d eau de refroidlssement secondase, du tuyutage de puits, des constructions, des ondations et des terrassements. Tuyautage de puits et support Systme de récupération d'énergie yst me ie pompage Coût total de:;l'usine Syl 12,5 Figure l1 à 15 stème à l'ammoniac Svstème à glace Figure àl5 à 50 Système à eau Figure IV 12,5 à 15 M M M M P 3,/) à 5 à 3,75 à 6,25 M 5 M 12,5 10 7,5 à 17,5 M à 12,5 M à 10 M 16,25 à 20 M 48,75 à 61,25 M 42,5 à 55 M %R"Mwftw01J Ces estimations de coût en capital incluent la conception, la fourniture et l'installation de mécaniques, des tuyaux, de l'électricité, de l'instrumentation et du matériel et quelques charpentes métalliques de support mais non les travaux civils, les terrassements, les structures et les mesures de sécurité pour les systèmes à ammoniac. CONSOMMATION DE PUISSANCE Usine de réfrigération Tour de pré-refroidissement Puissance de pompage Energie récupérée Consommation totale de kW(E) kW(E) kW(E) kW(E) puissance kW(E) 19 750 29 300 300 9 500 12 200 1 300 39 800 (25 400) -à cn J, tn 'o J,4 g un 19 750 39100 27 900 i i.. Coût total de puissance "A. g. M Ai A M AI Q M à S 740/kW(E) ' *' - ' ' r Ces coûts de puissance exclus la puissance correspondant au circuit de refroidissement du condenseur et du circuit secondaire de refroidissement d'eau. Vg'rTUATTnXg nES COUTS WEMRCIE ET DU càprrAL POUR 20OMW CR) A UNE pRopONDEM DE 4 KK TABLEAU V ' Pérté Tl l --N I ET DU C" PU T0 à 30 M Systim à- mlaLe Usine de réfrigération (glace) avec évaoration et condensation en titane - 1 çxclusion du syst9mç de rejet de la chaleur du circuit d eau de reiroidîssement secondaixe, du tuy;utage de puits, des constructions, des ondations et des terrassements Tuyautage de puits et support $ystÈme e récupération d'énergie eyst me e pompage CoGt total de l'usine Figure III à 100 à 12,5 à 12,5 M M M Système à eau VFure IV à 30 M 7,5 à 10 M à 30 M 25 à 30 M 20 à 25 M 32,5 à 40 M 1100 à125 M 95 115 M 32,5 àL 40 M 100 a 125 M 95 * 115 M - -.., II Ces estimations de coût en capital incluent la conception, la fourniture et l'installation de mécaniques, des tuyaux, de l'électricité, de l'instrumentation et du matériel et quelques charpentes métalliques de support mais non les travaux civils, les terrassements, les structures et les mesures de sécurité pour les systèmes à ammoniac. CONSOMMATION DE PUISSANCE Usine de réfrigération Tour de pré-refroidissement Puissance de pompage Energie récupérée Consommation totale de kW(E) kW(E) kW(E) kW(E) puissance kW(E) I 44 750 54 680 23 820 24 850 2 600 108 390 (69 100) 1 44750 79 100 J 66 740 Coût total de puissance I7R. M 138.45 M 116.8 M ri ui t71 fil à $Y740/kW(E) -. '. ' - Ces coûts de puissance exclus la puissance correspondant au circuit de refroidissement du condenseur et du circuit secondaire de refroidissement d'eau. L'étude des chiffres des Tableaux 2 à 5 montre que: Les coûts d'investissement relatifs des systèmes à différentes profondeurs sont les suivants dans l'ordre glace et eau, le système à l'ammoniac étant pris pour base 100 et en utilisant les chiffres correspondant aux limites supérieures des coûts obtenus: - pour 1 km, 300 et 190; - pour 2 km, 300 et 240; 10 - pour 3 km, 300 et 275; - pour 4 km 312 et 287. La consommation d'énergie est, en prenant une base de 100 correspondant à l'ammoniac: - pour 1 km, 197 et 117; 15 - pour 2 km, 189 et 120; - pour 3 km, 198 et 141; - pour 4 km, 177 et 150. Dans les Tableaux VI, VII, VIII et IX, les chiffres de fonctionnement indiqués pour les trois systèmes et pour des profondeurs de 1, 2, 3 et 4 km pour produire 25, 50, 100 et 200 MW(R) (megawatts de réfrigération) sont très différents. Les économies obtenues sont considérables et augmentent avec la profondeur. Comme exemples spécifiques du système suivant 25 l'invention, pour une installation typique comme celle que représente la fig. 1 pour le refroidissement d'un mine fonctionnant à 3 km de profondeur et dans laquelle le réfrigérant utilisé est de l'ammoniac, les chiffres relatifs à l'installation de refroidissement sont les 30 suivants: Conditions d'été: Température au thermomètre à boule mouillée C Capacité de refroidissement 102,3 MW(R) Capacité totale de l'installation 100 MW(R) MW(R) à I OOO M DE PROFONDEUR NH3 TABLEAU VI H20 249 GLACE Débit d'écoulement de fluide Tite de pompage de fluide kPa 19,7 58, 4 9 785 9 785 tdle s de PrI-refroidissement, puissance de la tour kW(E) Puissance de pompage kW(E) Enerite récupérée kW(E) Puissance totale 3 980 Incld 3 050 7 000 3 250 (2 050) 3 980 4 650 7 825 Différence avec NH3 kW(E) $ 1,2 M $ 6,75 M 259,7545 MW(R) à 2 000 M DE PROFONDEUR TABLEAU VII NH3 H20 GLACE Débit d'écoulement de fluide Tête de pompage de fluide kPa Pfisauce je l'u ie de re rlg ration kW E) âri-refroudr a ent, puissance e la tour kWME) Puissance de pompage kW(E) Energie récupérée kW(E) Puissance totale 39,4 333 9 300 Incld 9 300 508 19 570 6200 600 13 300 ( 8 450) 1I 650 *119 19 570 14 300 3 100 17 550 Différence avec NH3 kW(E) $ 4,1 M $ 14,95 M MW(R) à 3 000 M DE PROFONDEUR TABLEAU VIII NH3 Glace Débit d'écoulement de fluide Tête de pompage de fluide kPa fglp!agencltde lk'ste de Pré-refroidissement, puissance de la tour kW(E) Puissance de pompage kW(E) Energie récupérée kW(E) Puissance totale 78,8 19 750 Incld -29 (25 016 350 200 300 800 400) 29 350 29 300 300 9 500 19 350 19 750 8 150 Différence avec NH3 kW(E) $ 14,25 M $ 33,85 M MW(R) à 4 000 M DE PROFONDEUR NH3 Débit d'écoulement de fluide Tête de pompage de fluide kPa Puissance de l'usine de réfrigération kW(E) Pré-refroidissement, puissance de la tour kW(E) Puissance de pompage kW(E) Energie récupérée kW(E) 157 666 44 750 H20 2 077 39 140 24 850 2 600 108 390 ( 69 100) TABLEAU IX GLACE 39 140 54 680 600 23 820 Incld Puissance totale 44 750 66 740 79 100 Différence avec NH3 kW(E) $ 38,50 H $ 60,1 H Consommation de puissance au compresseur Consommation d'énergie totale 19,75 MW(E) 19,75 MW(E) Refroidissement net C O P = 5,06 15 20 Diamètre du tube descendant (isolé) 150 mm Diamètre du tube ascendant (non isolé) 600 mm Puissance du compresseur 20 2100 KW(E) Puissance du compresseur 40 17650 KW(E) Température du condenseur 28 C Température de NH3 à la sortie du condenseur 23 C Température du liquide pénétrant dans le tuyau descendant -9 C Débit du liquide dans le tuyau descendant 78,8 Kg/s température au fond du tuyau descendant -2 C Pression de liquide au fond du tuyau descendant 400 kPa Capacité du tambour de surpression 38 100 m3 Température de saturation du liquide à la sortie du tambour de surpression 30 -2 C Pression du liquide à la sortie du tambour de surpression 38 400 kPa Température de la vapeur à la sortie du compresseur 40 41 C Pression de la vapeur à la sortie du compresseur 40 600 kPA Débit de vapeur dans le tuyau ascendant Température de saturation de la vapeur en haut du tube ascendant Pression de vapeur en haut du tuyau ascendant Circuit de l'eau du condenseur: Température de l'eau à l'entrée dans le condenseur Température de l'eau à la sortie du condenseur Débit dans le circuit Circuit de l'eau de l'évaporateur Température de l'eau à l'entrée dans l'évaporateur Température de l'eau à la sortie de l'évaporateur Débit de l'eau dans le circuit Notes: 78,8 kg/s 280C 1100 kPa ,5 C 25,5 C 5830 l/s 25oC 0,5 C 975 l/s - le liquide descendant est presque à la vitesse terminale - pertes par frottement dans le tuyau ascendant = 250 kPa - tête statique du tube ascendant = 250 kPa - charge de réfrigérant, 50 tonnes = 75 m3 (liquide) - la consommation d'énergie des circuits d'évacuation de la chaleur et de l'eau de refroidissement de l'évaporateur ont été exclues. Sur le diagramme pression-enthalpie représenté par la fig. 2, l'enthalpie du réfrigérant dans les différents constituants du système est représentée de la manière suivante: ligne A - réfrigérant en phase vapeur dans le 35 tube ascendant 16, dans la zone vapeur 56 du diagramme. ê J Ligne B - phase vapeur du réfrigérant après compression dans le compresseur 40 situé au fond. Ligne C - réfrigérant en phase liquide dans le compresseur de surface 20. Ligne D - réfrigérant dans le condenseur 22, d'abord en phase vapeur, puis en phase mixte liquide-vapeur à l'intérieur du dMme 58 et en phase liquide dans la zone sous refroidie 60, puis partiellement vaporisée de nouveau au moment de la détente. Ligne E - réfrigérant dans le tambour de surpression 28 installé en surface. Ligne F - réfrigérant dans le tuyau descendant, en phase liquide dans la zone 60. Ligne G - réfrigérant dans l'évaporateur 44 15 passant de la phase liquide à la phase mixte et à la phase vapeur. Ligne H - réfrigérant contenu dans le tambour pour sautes de pression 30 installé au fond en phase mixte, allant au compresseur de surface 20 en phase 20 vapeur. Ligne J - réfrigérant en phase liquide dans la pompe 46. Une particularité importante du système suivant l'invention consiste en ce qu'il s'adapte à la fois à une 25 augmentation de charges et à une diminution de la capacité de réfrigération sans sacrifier l'égalisation de la température de l'eau refroidie, c'est-à-dire que la capacité de distribution de l'eau utilisée et de l'air de ventilation est maintenue. Dans un projet pratique conçu pour un puits de mine d'une profondeur totale de 4297 mètres, les paramètres de base d'une installation de refroidissement à l'eau classique et d'une installation à l'ammoniac sont représentés schématiquement par les figures 3 et 4. 35 A la fig. 3, l'installation classique comprend une partie 62 située au fond et comportant des machines de réfrigération 64 et une tour de refroidissement 66. Cette partie se trouve à un niveau de 2567 mètres. L'installation comporte un récupérateur d'énergie 68 et un réseau de circulation de l'eau désigné par la référence 70 et comportant cinq niveaux situés respectivement à 3170, 3493, 3761, 4029 et 4297 mètres. L'installation à l'ammoniac représentée par la 10 fig. 4 comporte une installation de surface 72 représentée par la fig. 1 et des machines au fond 74 situées à différents niveaux. Les coûts d'investissement et de dépense d'énergie électrique sont comparés dans le Tableau X. Les 15 chiffres montrent que non seulement les coûts d'investissement du système classique sont pratiquement deux fois plus élevés, double, mais que les économies d'énergie sont encore plus considérables puisqu'elles sont de deux à quatre fois plus grandes. dans ces conditions, au bout 20 d'une année de fonctionnement, les économies réalisées sur les frais d'exploitation atteignent 87 millions US. Les chiffres montrent donc que les économies qui peuvent être réalisées en utilisant l'ammoniac comme vapeur réfrigérante sont, par comparaison à celles qui 25 sont obtenues dans le cas de l'eau et de la glace, considérables, inattendues et d'autant plus importantes que la mine est plus profonde. Les économies de cet ordre ont une importance considérable surtout au moment o l'augmentation des prix de revient et l'insécurité croissante de certains marchés préoccupent l'industrie minière. En effet, des économies de cette importance peuvent, pour des mines se trouvant dans des situations critiques, représenter la différence entre la vie et la mort. ELEMENTS COMPARABLES DE COUT ET ESTIMATIONS TABLEAU X Système à NH3 Système a eau Machine de réfrigération Element de surface Element sourerrain 0,75 10,0 ,75 Tour de refroidissement (rejet de chaleur) 6,00 1,2 Forage et garnissage 75 Forage et tuyautage de puits 175 86 17,5_ _ __ _ __ _ _ 8,6 Stations de pompage verticales7 1,15 Stations de récupération d'énergie 3, 6 Stations de pompage horizontales 0,75,1 0,75 0,1 Mesures de sécurité 5 TOTAL: $55,3 M $ 34,3 M COUTS COMPARABLES D'ENERGIE ELECTRIQUE kW(E) kW(E) Machines de réfrigération 960 Element de surfaçe Elément souterrain 15 000 8 000 Tours de refroidissement (rejet de chaleur) Ventilateurs 750 750 Pompes 650 650 Stations de pompage verticales 16 350 1575 Stations de rcupération d'énergie 3 800) I 0 N o' Stations de pompage horizontales TOTAL: COUTS; w L28.22 ($ 87 M) (1 3722) ($ 37 M) r-J ut Ult eq REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement d'une cavité souterraine située à une distance de 1000 mètres ou plus au-dessous de la surface du sol, caractérisé en ce qu'il 5 comporte les opérations consistant à réaliser un circuit (14, 16) englobant la cavité et une station située à 1000 mètres au moins au-dessus d'elle, à comprimer et à condenser à la station un gaz réfrigérant de manière à le liquéfier, à envoyer le fluide réfrigérant liquéfié à la 10 partie inférieure du circuit, à détendre à l'intérieur de la cavité le fluide réfrigérant liquéfié et à renvoyer à la station le gaz détendu pour qu'il y soit condensé de nouveau et ainsi de suite. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé 15 en ce que le fluide réfrigérant liquéfié est refroidi dans le condenseur (22) au-dessous de sa température de saturation. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant refroidi est refroidi 20 encore par passage dans un économiseur (28). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une partie de l'effluent de l'économiseur (28) est recyclé dans l'économiseur en sens inverse du courant de fluide réfrigérant traversant l'économiseur. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que l'effluent de l'économiseur (28) est envoyé dans un tambour pour sautes de pression (30) et, de là, à l'évaporateur (42). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé 30 en ce que le fluide réfrigérant est partiellement vaporisé, avant son entrée dans le tambour pour sautes de pression (30), en passant dans un tiroir de détente (34). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant vaporisé est recyclé dans 35 le courant de vapeur comprimée. 8. Procédé selon l'une des revendications 5 A 7, caractérisé en ce que le tambour pour sautes de pression (30) est situé dans la station. 9. procédé selon l'une des revendications 5 ou 5 6, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant traverse un tambour pour sautes de pression (38) situé à l'intérieur ou à proximité de la cavité. 10. Procédé selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisé en ce que le fluide réfrigérant tra10 verse un deuxième tambour pour sautes de pression (30) situé à l'intérieur ou à proximité de la cavité. 11. Dispositif pour l'application des procédés selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur (20) monté dans une station 15 située à 1000 mètres au moins au-dessus de la cavité souterraine qui doit être refroidie, des moyens (32) permettant d'envoyer au compresseur un courant de vapeur de réfrigération, un condenseur (22) monté dans la station pour recevoir la vapeur comprimée provenant du compresseur (20), un évaporateur (42) monté à l'intérieur de la cavité qui doit être refroidie, un tuyau descendant (14) reliant le condenseur à l'évaporateur et un tuyau ascendant (16) reliant l'évaporateur (42) au compresseur (20). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un économiseur (28) situé en aval du condenseur (22) entre le condenseur et l'évaporateur (42). 13. Dispositif selon l'une des revendications 11 30 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend un tambour pour sautes de pression (30) monté à la station de manière recevoir le fluide réfrigérant provenant du condenseur (22). 14. Dispositif selon l'une des revendications 12 35 ou 13, caractérisé en ce qu'il comprend un tambour pour I sautes de pression (38) monté à l'intérieur ou à proximité de la cavité. 15. Dispositif selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte des tambours pour sautes de pression (30, 38) situés dans la station et à l'intérieur ou à proximité de la cavité et disposés de manière à recevoir le fluide réfrigérant liquéfié provenant du condenseur (22). 16. Dispositif selon l'une des revendications 12 10 à 15, caractérisé en ce que l'économiseur (28) est intercalé entre le condenseur (22) et le tambour pour sautes de pression (30). 17. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend un tiroir de détente 15 (36) intercalé entre l'économiseur et le tambour pour sautes de pression (30). 18. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend un tuyau intercalé entre l'économiseur et le compresseur. 19. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que l'évaporateur (42) est situé à l'intérieur ou à proximité du fond d'un puits de retour (18). 20. Dispositif selon l'une des revendications 11 25 à 19, caractérisé en ce que les tuyaux de montée et de descente (14, 16) sont placés à l'intérieur d'un puits de ventilation de retour. 21. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 19, caractérisé en ce que les tuyaux de montée et de descente (14, 16) sont placés dans un trou foré distinct du ou des puits de mine (18).