"Nouveau procédé de récupération et de stockage de calories dans le sous-sol".
Différents procédés ont été proposés en vue de
la récupération des calories contenues dans le sous-sol.
Un des procédés le plus usité consiste à déposer horizontalement des caloducs monotubes au fond de tranchées dépassant rarement deux mètres de profondeur.
Les caloducs se trouvent donc dans la tranche superficielle de terrain subissant les variations saisonnières de température ; l'épaisseur de cette tranche peut atteindre selon le type de terrain cinq à sept mètres. Dans de telles conditions, l'efficacité du système se trouve donc diminuée pendant la période hivernale. De plus, étant donné l'horizontalité du dispositif, celui-ci requiert des superficies
de mise en oeuvre très importantes ; par exemple, dans le cas d'habitations unifamiliales, de l'ordre de deux fois la surface habitable.
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de développer un nouveau procédé pour la récupération des calories du sous-sol et de l'eau qu'il contient. Le procédé conforme à l'invention est caractérisé
en ce qu'il consiste à exploiter une tranche de terrain, comprise entre deux et plusieurs dizaines de mètres, par des caloducs verticaux constitués de deux tuyaux disposés concentriquement, l'échange de chaleur avec le terrain s'effectuant lors du passage du fluide dans le tuyau extérieur. Un équipement pour la mise en place de caloducs destinés à réaliser le procédé suivant l'invention consiste avantageusement en un cadre supportant deux molettes d'entraînement disposées dans le prolongement l'une de l'autre pour enserrer entre leurs gorges le tuyau extérieur du caloduc disposé verticale-ment, l'axe d'une des molettes étant monté de manière fixe sur le cadre et l'axe de l'autre molette étant monté de manière articulée. La pression des molettes sur ledit tuyau est assurée par un vérin, un couple moteur étant appliqué à chacune des molettes.
L'invention est décrite maintenant plus en détail sur la base des dessins annexés, à titre d'exemples uniquement, montrant en :
Figure 1 une coupe longitudinale dans un caloduc utilisé avec le procédé suivant l'invention ; Figures 2a et 2b deux réalisations d'une tête de jonction pour caloducs suivant figure 1 ; Figure 3 une vue schématique d'un équipement de mise en place de caloducs pour la réalisation du procédé suivant l'invention ; Figure 4 une vue schématique d'une variante de l'équipement de figure 3, et Figure 5 une vue schématique d'une variante dans le mode de mise en place du caloduc.
Les caloducs (figure 1) utilisés pour réaliser
le procédé de récupération et de stockage de calories dans le sous-sol sont constitués de deux tuyaux 1, 2 disposés concentriquement. Le tuyau extérieur 1 présente pour principales caractéristiques :
- une conductibilité thermique suffisamment élevée pour assurer un échange thermique satisfaisant entre le terrain et le fluide caloporteur ;
- des propriétés de résistance mécaniques adaptées à la méthode de mise en place, telle que celle décrite plus loin ;
- une résistance à la corrosion conférant aux tuyaux la lon-gévité requise pour l'installation (par exemple trente ans pour une installation domestique) ;
- un diamètre de 30 mm environ.
Le tuyau intérieur 2, quant à lui, assurera la même longévité aux seules contraintes de température. Quel que soit le système dans lequel ce procédé est intégré, les températures restent comprises entre les valeurs extrêmes de
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tière synthétique semi-rigide.
La circulation du fluide caloporteur peut se faire indifféremment du tuyau intérieur 2 vers le tuyau extérieur 1 ou inversément, l'échange de chaleur avec le terrain s'effectuant lors du passage dans le tube extérieur 1. Le dispositif fonctionne soit en récupération de calories, soit en
stockage dans le terrain suivant que la température du fluide
ou
caloporteur est inférieurs/supérieure à celle du terrain environnant. Les caloducs peuvent être reliés en leur tête partie en série partie en parallèle. Deux exemples possibles de têtes de jonction sont données aux figures 2a et 2b ; en figure 2a la tête de jonction 3 comporte un raccordement 3' au tuyau extérieur 1 et un raccordement 3" au tuyau intérieur 2, tandis qu'en figure 2b la tête de jonction 4 est constituée par un seul raccordement au tuyau extérieur 1 avec deux em- <EMI ID=2.1>
tuyau souple 5 à relier au tuyau intérieur 2.
La mise en place du tuyau extérieur, rapide et visant à assurer un contact optimum entre les caloducs et le sous-sol, est adaptée aux conditions locales de terrain.
En roches compétantes, le forage préalable d'un trou de faible diamètre est nécessaire. Dans ce cas, le tuyau extérieur 1 est simplement introduit dans le forage. En présence d'une nappe aquifère, le contact caloduc-terrain est excellent ; dans les autres cas, le contact médiocre peut être amélioré par l'injection d'un coulis de ciment, de bentonite, ou autre entre le tuyau et le terrain.
En roches meubles on distingue trois cas sur base des résistances à la pénétration du tuyau 1 au niveau de sa
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le tuyau et le terrain (résistance au frottement latéral).
Dans le cas d'un terrain présentant une force de frottement et une résistance à la pointe faibles, l'enfoncement des tuyaux est réalisé au moyen de l'équipement schématisé à la figure 3, où l'on distingue :
- le tuyau extérieur 1. La résistance totale à la pénétration, termes de pointe et de frottement latéral additionnés, vaut P. Dans la pratique, on se limitera le plus souvent à des valeurs de P de 10 tonnes, se réservant néanmoins la possibilité de pousser jusqu'à 20 tonnes dans des cas exceptionnels.
- les molettes d'entraînement 6 et 6', dont la gorge épouse au mieux le tuyau, présentent un diamètre suffisant (de l'ordre de dix fois le diamètre du tuyau) et un espace libre 7 entre les molettes réduit au minimum (quelques mm), afin d'éviter toute déformation du tuyau par la pression des molettes.
L'axe 8 d'une des molettes (6) est fixe par rapport à un cadre 9, l'autre 8' est articulé au cadre 9 par l'intermédiaire d'une barre 10.
- un verin 11 assure la pression R de chacune des molettes sur le tuyau. - un couple moteur 12 est appliqué à chacune des molettes* On a les relations :
W = P.v
P � 2 R.f
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v : vitesse d'enfoncement du tuyau (à choisir) ;
P : résistance à la pénétration du tuyau dans le terrain
(termes de pointe et de frottement) :
R : réactions des molettes sur le tuyau ;
f : coefficient de frottement entre molettes et tuyau. Pour P = 10 tonnes
v = 5 cm/sec.
f = 0,5
on a W = 5 KW ou 500 Kg.m/sec et R = 10 tonnes.
Un moteur hydraulique est recommandé pour l'entraînement des molettes, autorisant notamment par inversion du sens de rotation l'arrachage éventuel d'un tuyau.
Le cadre 9 peut avantageusement être fixé sur un
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celui-ci entre les molettes et la surface du sol ; ce bout
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rendu amovible pour le transport.
Dans le cas d'un terrain présentant une force de frottement élevée et une résistance à la pointe modérée, le même équipement permet de foncer les tuyaux moyennant une pointe 1" de diamètre supérieur de un à quelques millimètres au diamètre du tuyau (figure 4); ce qui réduira,voire annulera, la résistance au frottement latéral le long du tuyau au cours de la mise en place. Cependant, l'expérience montre que
ce type de terrain se referme rapidement sur lui-même, assurant par conséquent un contact tuyau-terrain satisfaisant.
Dans le cas difficile de certains sables, qui peuvent présenter de fortes résistances à la pointe, la technique de lançage à l'eau (figure 5) peut être mise en oeuvre ; on rappellera que cette technique consiste à injecter, au niveau de la pointe 1', de l'eau à grande vitesse
- sens des flèches - pour emporter dans son flux le terrain qui s'y trouve.
"New process for recovering and storing calories in the basement".
Different methods have been proposed with a view to
recovering the calories contained in the basement.
One of the most widely used methods consists of horizontally depositing monotube heat pipes at the bottom of trenches rarely exceeding two meters deep.
The heat pipes are therefore located in the surface portion of the land subject to seasonal temperature variations; the thickness of this section can reach, depending on the type of terrain, five to seven meters. Under such conditions, the efficiency of the system is therefore reduced during the winter period. In addition, given the horizontality of the device, it requires areas
very important implementation; for example, in the case of single-family dwellings, on the order of twice the living area.
The present invention aims to remedy these drawbacks and to develop a new process for recovering calories from the basement and the water it contains. The process according to the invention is characterized
in that it consists in exploiting a section of land, between two and several tens of meters, by vertical heat pipes made up of two pipes arranged concentrically, the heat exchange with the ground taking place during the passage of the fluid in the outer pipe. Equipment for installing heat pipes intended to carry out the process according to the invention advantageously consists of a frame supporting two drive rollers arranged in the extension of one another to grip between their grooves the outside pipe of the heat pipe arranged vertically, the axis of one of the knobs being fixedly mounted on the frame and the axis of the other knurling being mounted in an articulated manner. The pressure of the rollers on said pipe is provided by a jack, a motor torque being applied to each of the rollers.
The invention is now described in more detail on the basis of the appended drawings, by way of examples only, showing in:
Figure 1 a longitudinal section in a heat pipe used with the method according to the invention; Figures 2a and 2b two embodiments of a junction head for heat pipes according to Figure 1; Figure 3 a schematic view of equipment for installing heat pipes for carrying out the method according to the invention; Figure 4 a schematic view of a variant of the equipment of Figure 3, and Figure 5 a schematic view of a variant in the method of setting up the heat pipe.
The heat pipes (Figure 1) used to make
the process of recovering and storing calories in the basement consists of two pipes 1, 2 arranged concentrically. The main characteristics of the outer pipe 1 are:
- a sufficiently high thermal conductivity to ensure satisfactory heat exchange between the ground and the heat transfer fluid;
- mechanical resistance properties adapted to the installation method, such as that described below;
- a resistance to corrosion giving the pipes the longevity required for installation (for example thirty years for a domestic installation);
- a diameter of approximately 30 mm.
The inner pipe 2, meanwhile, will ensure the same longevity only temperature constraints. Whatever the system in which this process is integrated, the temperatures remain between the extreme values of
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semi-rigid synthetic fabric.
The circulation of the heat transfer fluid can be done either from the interior pipe 2 towards the exterior pipe 1 or vice versa, the heat exchange with the ground being effected during the passage in the exterior tube 1. The device operates either in recovery of calories, either
storage in the field depending on the temperature of the fluid
or
coolant is lower / higher than that of the surrounding terrain. The heat pipes can be connected in their heads, part in series, part in parallel. Two possible examples of junction heads are given in Figures 2a and 2b; in FIG. 2a the junction head 3 comprises a connection 3 ′ to the external pipe 1 and a connection 3 "to the internal pipe 2, while in FIG. 2b the junction head 4 is constituted by a single connection to the external pipe 1 with two em- <EMI ID = 2.1>
flexible pipe 5 to be connected to the interior pipe 2.
The installation of the external pipe, fast and aiming to ensure an optimum contact between the heat pipes and the basement, is adapted to the local conditions of ground.
In competent rocks, the preliminary drilling of a small diameter hole is necessary. In this case, the outer pipe 1 is simply introduced into the borehole. In the presence of an aquifer, the heat-field contact is excellent; in other cases, poor contact can be improved by injecting a cement, bentonite, or other grout between the pipe and the ground.
In loose rock, there are three cases based on the resistance to penetration of pipe 1 at its
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the pipe and the ground (resistance to lateral friction).
In the case of a ground having a weak friction force and a resistance to the point, the insertion of the pipes is carried out by means of the equipment shown diagrammatically in figure 3, where one distinguishes:
- the external pipe 1. The total resistance to penetration, peak and lateral friction terms added together, is equal to P. In practice, we will most often limit ourselves to values of P of 10 tonnes, nevertheless reserving the possibility of push up to 20 tonnes in exceptional cases.
- the drive wheels 6 and 6 ', the groove of which matches the pipe as well as possible, have a sufficient diameter (of the order of ten times the diameter of the pipe) and a free space 7 between the wheels reduced to a minimum (a few mm), in order to avoid any deformation of the pipe by the pressure of the rollers.
The axis 8 of one of the knobs (6) is fixed relative to a frame 9, the other 8 'is articulated to the frame 9 by means of a bar 10.
- A jack 11 ensures the pressure R of each of the knobs on the pipe. - a driving torque 12 is applied to each of the knobs * We have the relationships:
W = P.v
P � 2 R.f
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v: insertion speed of the pipe (to choose);
P: resistance to penetration of the pipe into the ground
(peak and friction terms):
R: reactions of the knobs on the pipe;
f: coefficient of friction between rollers and pipe. For P = 10 tonnes
v = 5 cm / sec.
f = 0.5
we have W = 5 KW or 500 Kg.m / sec and R = 10 tonnes.
A hydraulic motor is recommended for driving the rollers, allowing in particular by reversing the direction of rotation the possible pulling out of a pipe.
The frame 9 can advantageously be fixed on a
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this between the rollers and the ground surface; this tip
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made removable for transport.
In the case of a ground presenting a high friction force and a moderate resistance to the point, the same equipment makes it possible to sink the pipes by means of a point 1 "of diameter greater by one to a few millimeters to the diameter of the pipe (figure 4) which will reduce or even cancel the resistance to lateral friction along the pipe during installation. However, experience shows that
this type of terrain quickly closes in on itself, thus ensuring satisfactory pipe-terrain contact.
In the difficult case of certain sands, which may have strong resistance to the point, the technique of launching with water (FIG. 5) can be implemented; it will be recalled that this technique consists in injecting, at the point 1 ′, water at high speed
- direction of the arrows - to carry in its flux the ground which is there.