PROCEDE ET DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT UTILISANT L'EAU DES PROFONDEURS SOUS - MARINES EN TANT QUE SOURCE FROIDE

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de refroidissement utilisant l'eau des profondeurs des océans, des mers ou des lacs en tant que source froide. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la production d'un flux d'eau refroidie pouvant être utilisé pour climatiser des locaux.

D'une façon générale, on sait qu'il existe déjà des installations de refroidissement utilisant des échangeurs thermiques raccordés à un dispositif permettant de pomper de l'eau de mer à une profondeur sous - marine correspondant à une température recherchée, au moyen d'une pompe connectée à un tuyau partiellement immergé.

L'eau de mer ainsi aspirée passe dans le circuit primaire d'un échangeur pour être ensuite rejetée dans la mer. Au passage dans ce circuit primaire, l'eau de mer échange des calories avec le circuit secondaire de l'échangeur, lequel peut être par exemple raccordé à une installation de climatisation.

On sait par ailleurs que la mise en œuvre de cette solution nécessite d'utiliser des tuyaux présentant un diamètre minimal, à savoir généralement des tuyaux ayant au moins 60 centimètres de diamètre interne. En effet, le pompage par aspiration d'un liquide dans un tuyau provoque, en raison des pertes de charge, une diminution de la pression et donc de la température de vaporisation de ce

liquide, la température de vaporisation d'un liquide circulant dans un tuyau étant proportionnelle à la pression de ce liquide. Or, la vaporisation du liquide n'est pas souhaitable en raison notamment du phénomène induit de cavitation qui altère la structure des équipements. Ainsi, afin d'éviter la vaporisation indésirable d'un liquide circulant dans une tuyauterie, on utilise des tuyaux présentant un diamètre minimal de manière à réduire les pertes de charge qui dépendent notamment de la surface de frottement du liquide avec la paroi interne du tuyau.

Cependant, l'utilisation de "gros" tuyaux pour ce type d'applications présente notamment les inconvénients suivants :

• une infrastructure lourde et chère est rendue nécessaire pour leur transport et/ou leur installation ;

• ils se présentent sous forme de barres, ayant généralement une longueur de 12 mètres, qu'il faut souder sur place ;

• leurs coûts de fabrication et/ou de transport et/ou de pose élevés augmentent le seuil de rentabilité du dispositif.

L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif qui permettent un échange thermique entre un fluide caloporteur circulant en circuit fermé et l'eau située à une profondeur correspondant à une température recherchée, par exemple à une profondeur de 1000 mètres à laquelle la température des océans oscille en moyenne entre 3 et 5 ⁰ C. L'usage d'une circulation forcée en circuit fermé permet de repousser la "limite d'aspiration" que l'on peut définir comme le seuil de puissance d'aspiration maximale avant lequel le liquide ne se vaporise, et donc d'utiliser une tuyauterie présentant un petit diamètre intérieur.

à cet effet, l'invention propose un procédé de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation d'un circuit de fluide caloporteur en boucle fermée par la mise en œuvre des étapes suivantes :

• l'installation d'au moins un dispositif thermique sur le site que l'on souhaite refroidir, ce dispositif thermique pouvant comprendre au moins un ventilo - convecteur ;

• l'immersion d'au moins un échangeur thermique à une profondeur à laquelle la température de l'eau se situe à un premier niveau qui correspond à la température désirée ; • le raccordement du dispositif thermique et de l'échangeur thermique par l'intermédiaire de deux conduits respectivement d'amenée et de retour d'un fluide caloporteur, l'un au moins desdits conduits étant équipé d'au moins un dispositif de circulation dudit fluide caloporteur.

De cette manière et de façon avantageuse, on obtient dans le circuit en boucle fermée, un équilibre hydrodynamique qui permet de repousser la "limite d'aspiration" et d'utiliser ainsi de plus "petits" conduits d'amenée et de retour.

Ainsi, ces conduits pourront présenter un diamètre interne inférieur à 60 centimètres et de préférence compris entre 10 et 25 centimètres.

L'utilisation de "petits" conduits du type susdit présente notamment les avantages suivants :

• ils peuvent être présentés sous forme de rouleaux de 100 mètres de longueur, ce qui simplifie leur transport et plus généralement leur déplacement ;

• ils sont plus facilement manipulables par les opérateurs ;

• ils nécessitent pour leur pose des moyens nautiques (tels que des barges de transport de marchandise, des bateaux de pêche) souvent présents sur le site d'installation et donc bon marché ;

• le dispositif nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé peut être installé à un prix raisonnable, ce qui permet de rendre cette technologie accessible à des consommateurs "moyens" (tels que des hôtels).

De préférence, le dispositif de circulation dudit fluide caloporteur est compris sur ou dans le conduit descendant à savoir, le conduit dans lequel le fluide caloporteur circule vers l'échangeur thermique immergé.

En outre, de manière avantageuse, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet notamment de bénéficier des avantages suivants :

• la maintenance de cet échangeur est extrêmement réduite voire inexistante ;

• l'exploitation de l'invention ne dégrade pas l'environnement en effet, les solutions de l'état de la technique nécessitent de "nettoyer" périodiquement les conduits en injectant une solution chlorée qui se retrouvera immanquablement dans l'environnement marin or, une boucle fermée permet d'éviter cette pollution ;

• l'installation, l'exploitation et la maintenance de l'invention sont simplifiées.

Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :

La figure 1 est une représentation schématique du dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

La figure 2 est une représentation schématique du dispositif thermique du dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.

La figure 3 est une représentation schématique d'un réservoir de frigories faisant l'objet d'une dérivation grâce à un conduit de dérivation comprenant deux clapets anti - retour.

Les figures 4.a et 4.b sont une représentation schématique d'un échangeur immergé comprenant respectivement un élément tubulaire et un élément tubulaire associé à une pompe.

Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention comprend un circuit de fluide caloporteur en boucle fermée comportant notamment :

• un dispositif thermique 1 situé sur le site que l'on souhaite refroidir ;

• un échangeur thermique 2 pouvant être notamment mais non exclusivement du type à tubes et calandres. Dans ce cas, cet échangeur thermique 2 comprend de nombreux tubes métalliques dans lesquels circule le fluide caloporteur à refroidir, les tubes baignant dans l'eau dans laquelle l'échangeur 2 est immergé, ce qui permet de créer un contact thermique sur une grande surface entre le fluide caloporteur à refroidir et l'eau. Cet échangeur thermique 2 en l'espèce est immergé à une profondeur à laquelle la température de l'eau se situe à un premier niveau, cette température étant suffisamment basse pour entraîner un refroidissement du fluide caloporteur à une température souhaitée, afin de permettre un fonctionnement efficace du dispositif thermique 1;

• un conduit d'amenée 3 et un conduit de retour 4 partiellement immergés, ces conduits 3, 4 ayant en l'espèce un "petit" diamètre interne à savoir, de préférence, un diamètre interne inférieur à 30 centimètres. L'extrémité inférieure respective de chacun de ces conduits 3, 4 est reliée audit échangeur thermique 2 tandis que leur extrémité supérieure respective est reliée au dispositif thermique 1 ; • au moins un dispositif de circulation 5 du fluide caloporteur, tel qu'une pompe, ce circulateur 5 étant compris sur ou dans l'un desdits conduits

d'amenée 3 ou de retour 4 ; plus précisément, ce dispositif de circulation 5 du fluide calporteur est compris préférentiellement sur ou dans le conduit descendant afin que le fluide caloporteur soit puisé et non aspiré.

Ainsi, dans le cas d'un refroidissement d'un site, par exemple en été, sous l'effet de l'action du dispositif de circulation 5, le fluide caloporteur présent dans le circuit circule successivement :

• dans le dispositif thermique 1 où il absorbe des calories du milieu ambiant et en conséquence il s'échauffe (température haute) ;

• dans le conduit de retour 4 dans lequel il est puisé et où il se refroidit progressivement en cédant une fraction des calories qu'il a absorbées dans le dispositif thermique 1 ;

• dans l'échangeur immergé 2 où il cède la fraction restante des calories qu'il a absorbées en se refroidissant pour atteindre la basse température désirée (qui est très proche de la température de l'eau à la profondeur à laquelle l'échangeur 2 est immergé) ;

• dans le conduit d'amenée 3 qui peut être entouré par une gaine isolante afin de maintenir constante sa température interne et d'éviter ainsi son réchauffement au contact de couches d'eau de mer moins profondes et donc plus chaudes.

Tel que cela est représenté sur la figure 2, le dispositif thermique 1 peut comprendre au moins un ventilo - convecteur l' relié à une centrale à eau glacée 1" afin de constituer une boucle d'eau glacée 20 connectée auxdits conduits d'amenée et de retour 3, 4 (non représentés). Plus précisément, ce dispositif thermique 1 comprend en l'espèce quatre ventilo - convecteurs l' disposés en parallèle, chaque ventilo - convecteur l' étant relié respectivement en entrée et en sortie par une branche d'un conduit « amont » 21 et d'un conduit « aval » 22 de la boucle d'eau glacée 20. Ces conduits « amont » 21 et « aval » 22 sont connectés à l'entrée et à la sortie de ladite centrale d'eau

glacée 1" qui permet de maintenir voire de baisser la température de l'eau circulant dans la boucle 20, cette dernière permettant ainsi par exemple de transférer les frigories de l'eau glacée dans l'air d'une pièce à climatiser.

En outre, on sait que les demandes de production de chaleur et de froid varient en fonction des saisons, des conditions climatiques, mais aussi des heures de la journée. Ainsi, il existe des pics et des creux de consommation.

Afin de répondre de manière satisfaisante à ces variations de la demande, il est possible d'utiliser :

• un dispositif de refroidissement selon l'invention, conformé et dimensionné de manière à pouvoir répondre aux pics de consommation, et qui fonctionne en mode dégradé le reste du temps ; ou

• un dispositif de refroidissement selon l'invention, conformé et dimensionné de manière à pouvoir répondre à une consommation moyenne, ce dispositif de refroidissement comprenant un système de stockage de frigories permettant de faire face aux pics de demande.

Selon une variante d'exécution de l'invention, ce dispositif de stockage peut consister en un réservoir d'un fluide tel que de l'eau, dont la température est abaissée en utilisant « le froid excédentaire nocturne », l'eau glacée de ce réservoir étant utilisée afin de satisfaire les pics de demandes diurnes de production de froid.

Selon cette variante d'exécution de l'invention, ce réservoir est préférentiellement divisé en strates horizontales au moyen de plaques semi - perméables afin de permettre à l'eau contenue dans ce réservoir de se répartir par couches stratifiées, chaque couche ayant un niveau de température déterminé et les couches les plus froides demeurant dans la partie basse du réservoir, ce dernier pouvant être connecté audit dispositif thermique 1. Les

couches les plus froides de ce réservoir peuvent être par exemple alimentées par de l'eau refroidie, de préférence la nuit, dans les profondeurs.

Selon une autre variante d'exécution de l'invention, ce dispositif de stockage peut consister en un réservoir disposé en surface et comprenant un fluide dont la température de solidification est comprise dans un intervalle déterminé, par exemple entre 8° et 10° C. De cette manière, le passage d'un flux d'eau glacée dans ce réservoir, dont la température est inférieure à cette température de solidification (par exemple, une température proche de 0° C), permet de provoquer une solidification dudit fluide, ce changement de phase entraînant une restitution de chaleur qui est sensiblement proportionnelle à la masse et à la chaleur latente de solidification du fluide. Ainsi, le flux d'eau en sortie du réservoir sera réchauffé grâce à cette restitution de chaleur résultant de la solidification dudit fluide.

A l'inverse, le passage d'un flux d'eau réchauffé dans ce réservoir, dont la température est supérieure à ladite température de solidification (par exemple, une température de 10° C), permet de provoquer une fusion dudit fluide, ce changement de phase entraînant une absorption de chaleur qui est sensiblement proportionnelle à la masse et à la chaleur latente de fusion du fluide. Ainsi, le flux d'eau en sortie du réservoir sera rafraîchi grâce à cette absorption de chaleur résultant de la fusion dudit fluide.

De cette manière, à titre d'exemple non limitatif, dans le cas où l'on désire provoquer une solidification dudit fluide compris dans le réservoir, on pourra connecter le conduit d'amenée 3 et le conduit de retour 4 du circuit du fluide caloporteur respectivement à l'entrée et à la sortie dudit réservoir, le fluide caloporteur présent dans le circuit circule alors successivement :

• dans le conduit de retour 4 dans lequel il est puisé et où il se refroidit progressivement ;

• dans l'échangeur immergé 2 où il cède la fraction restante des calories qu'il a absorbées en se refroidissant pour atteindre la basse température désirée ;

• dans le conduit d'amenée 3 qui peut être entouré par une gaine isolante afin de maintenir constante sa température interne ;

• dans ledit réservoir où sa faible température permet de provoquer la solidification au moins partielle du fluide compris dans ce réservoir, le fluide caloporteur étant ainsi réchauffé ;

• dans le conduit de retour 4 ou dans le dispositif thermique 1 du type susdit.

Ainsi, ce fonctionnement est particulièrement propice la nuit en effet, le fluide caloporteur qui circule dans le conduit d'amenée 3 est plus froid, ce qui permet donc de provoquer la solidification du fluide compris dans le réservoir.

De manière évidente, le circuit du fluide caloporteur peut comprendre au moins un circuit de dérivation pouvant comporter des vannes ou des clapets, qui permet au fluide caloporteur de contourner le passage dans ledit réservoir lorsqu'il n'est pas jugé nécessaire d'avoir une réserve de frigories. Dans ce dernier cas, à titre d'exemple, tel que cela est représenté sur la figure 3, le réservoir 40 fait l'objet d'une dérivation grâce à un conduit de dérivation 11 comprenant deux clapets anti - retour 12 disposés respectivement à l'entrée et à la sortie dudit conduit de dérivation 11, ces clapets 12 qui sont orientés dans un sens opposé pouvant être du type à ressort.

A titre d'exemple non limitatif, ledit fluide pouvant être compris dans le réservoir, peut être un acide gras de formule générale CH3 - (CH2)n - COOH (où n vaut de 2 à 16), tel que notamment l'acide laurique, l'acide myristique, l'acide stéarique, ou un mélange d'acides gras permettant de fixer la température de fusion à une (des) valeur(s) déterminée(s).

Par ailleurs, de manière préférentielle, chaque échangeur 2 est réalisé en cupronickel (CuNiIO) et est de type tubulaire, cet échangeur 2 comprenant alors un réseau de tubes sensiblement parallèles conformés et disposés de manière à permettre au liquide caloporteur de circuler plus lentement que dans le conduit d'amenée 3 et de retour 4, ce qui se traduit par une augmentation du temps d'échange thermique entre le fluide caloporteur et l'eau de mer dans laquelle l'échangeur 2 est immergé.

Avantageusement, selon une variante d'exécution de l'invention, tel que cela est représenté sur la figure 4.a, l'échangeur 2 peut être à "convection contrôlée". Ainsi, cet échangeur 2 peut comprendre un élément tubulaire 30 axé en l'espèce verticalement, dans l'espace intérieur duquel s'étendent coaxialement les tubes métalliques ou le serpentin dudit échangeur 2.

De cette façon, on favorise la convection naturelle en créant un mouvement (en l'espèce ascendant) du fluide dans lequel sont immergés les tubes métalliques ou le serpentin, à savoir en l'espèce de l'eau de mer, ce qui permet d'optimiser le rendement énergétique desdits échangeurs 2.

De manière avantageuse, tel que cela est représenté sur la figure 4.b, l'échangeur 2 immergé peut être à "convection forcée" et comprend alors en plus un moyen tel qu'une pompe de circulation 31 qui permet d'optimiser encore plus le rendement énergétique desdits échangeurs 2.

Chaque échangeur 2 peut ainsi être du type à "convection naturelle", ou à "convection contrôlée", ou à "convection forcée". De plus, chaque échangeur 2 peut être hybride et consister en la combinaison de plusieurs desdits types d' échangeur 2.