Un tuyau, svp... perte en charge, thermo-siphon, et perte thermique

[polo974]

Bonjour,
je viens avec mes grosses savates 2 doigts poser 2 ou 3 questions sur de l'hydraulique, thermique etc.
Le but (que je trouvais un peu farfelu, mais que j'étudie pour en sortir moins bête) est d'utiliser la différence de température entre l'eau à 1000m de fond et en surface pour produire de l'énergie.

(En aparté, ce n'est pas vraiment de l'énergie renouvelable, vu qu'on pompe l'eau au fond de la mer mais ce n'est pas le sujet ici... ça viendra peut-être plus tard sur le bon forum!)

Il y a 4 bonnes raisons pour trouver le projet un peu dingue:

• le delta T° est de 20°C seulement soit un rendement Carnot de 6 à 7% (on doit bouger beaucoup de calories pour pas grand chose...).
• l'effet thermo-siphon est contre nous (froid au fond, chaud en haut).
• les pertes en charge pour trimbaler toute cette flotte (1000m verticalement, mais environ 1500m de pipe).
• les pertes thermiques par échange (et peut-être aussi par frottement).

J'ai donc été à la pêche aux formules...
Et j'ai normalisé à 1m³/s en supposant que l'eau de mer est douce...
1m³=10⁶g
10⁶*4.18*20°/1s=>84MW (ça semble beaucoup, hein)

M. Carnot nous dit qu'on peut extraire au mieux dT/Th soit 6 à 7%, mais comme la mécanique (un stirling encore à développer)aura un rendement pas génial, disons qu'on en extrait 3.5%.
La production serai donc théoriquement de 3MW.

mais:

• thermo-siphon

j'ai trouvé un coeff de dilatation linéaire de 2.6*10^-4/°C
Si on a 10°C en moyenne, on a donc une hauteur de:
1000*2.6*10^-4*10=2.6m avec le débit d'1m³/s, ça fait 26kW (presque 1% de la prod), ok, c'est jouable jusqu'ici.

• perte en charge

(j'ai lu ici que la vitesse d'écoulement économiquement raisonnable est de l'ordre de 2m/s).
et cette belle formule toute cuite:
h = 1.1*10⁻³*Q^1.89*D^−5.01*L (h perte hauteur, Q débit, D dimètre, L longueur).
Comme mon débit est de 1m³/s, et si je prends un diamètre de 1m (pour faire simple, tout en restant raisonnable (je crois)), j'arrive à:
1.1*10⁻³*1500=1.65m soit 16kW (environ 0.5% de la prod), ok, c'est jouable jusqu'ici (même si on considère qu'on a échauffé l'eau d'autant, soit après conversion une perte de 0.015% (du bruit à notre niveau)))

On arrive à une perte de 4m environ, il vaudrait donc juste peut-être un peu immerger les pompes afin d'éviter certaines difficultés genre cavitation...
Et éviter de trop monter l'eau au dessus du niveau de la mer (argh les marées...)

• Perte thermique

Comme le but est de remonter de l'eau froide, il serait bon qu'elle ne tiédisse pas trop en montant...
Oui, mais à 1000m la pression est de 100bar, adieu mousse isolante écrabouillée... (ok à 1000m, pas besoin d'isoler, mais c'est pour dire)
Même à 100m, il y a déjà 10bar, pas terrible pour les isolants à base de bulles...
Donc isolation, genre bâtiment des années 70...
Disons un R de 0.1 soit 10W/m²°C
puis P= 1/R *surf *deltaT
10 * (1500*1*3.14) * (20/2) = 471kW (thermique)
comparé aux 84MW, c'est vraiment peu, voire pas beaucoup (0.5%) ...

Conclusion:
Sauf erreur grossière ou mauvaise interprétation des sites cités, ça semble jouable à condition de savoir construire un moteur stirling faible delta T et de pouvoir immerger et entretenir facilement et à coût réduit un tuyau descendant à 1000m de fond et pas trop rugueux...

Pour avoir une idée de la chose, si elle est réalisée en béton de 10cm d'épaisseur, il faudrait tout de même 471m³ de ce matériau...

Bien sûr, on peut toujours augmenter l'échelle de la chose, et grappiller sur les coûts et pertes, mais maintenant, est-ce jouable d'avoir un tuyau de disons 5m de diamètre qui plonge dans les profondeurs...
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[Zozo_MP]

Bonjour Polo974

Alors là je suis épaté ! toi tu poses une question ?

D'habitude c'est toi qui répond avec toujours un grand niveau de pertinence scientifique.


Bon sur les calculs ne compte pas sur moi, par contre je peux te dire avoir vu il y a une trentaine d'année à Tahiti un système comme ça fonctionner.
La sortie du tuyaux qui faisait environ 300 mm de Ø giclait comme un puits artésiens (sauf que cela n'en était pas un).
A l'époque il n'ya vait rien en sortie du tuyau pour récupérer l'energie potentiel. C'étaient des tests fait pas des ingénieurs.
Je n'en sais pas plus sauf de mémoire que c'était la différence de tempèrature qui faisait monter l'eau en partie (gloupsss !)


Tu peux jeter un oeil ICI et ICI

Regarde aussi ETM ifremer et Ocean Thermal Energy Conversion ou OTEC

Ici un endroit que tu ne connais pas du tout

Cordialement

[polo974]

Oh, tu me fais rougir...

Ben oui, c'est face à ça que je postais.
mais comment fais-tu pour trouver aussi bien tant d'infos...

En ouvrant et cherchant un peu, j'ai trouvé http://hawaii.gov/dbedt/info/energy/renewable/otec

J'ai probablement sous évalué les pertes...
J'attends que Papykiwi spécialiste en tuyaux réponde...

[invite76532345]

Bonjour
Tout d'abord, le thermosiphon ne peut pas fonctionner car il nécessite une densité du liquide au point bas inférieure à celle au point haut du circuit.

je peux te dire avoir vu il y a une trentaine d'année à Tahiti un système comme ça fonctionner.
La sortie du tuyaux qui faisait environ 300 mm de Ø giclait comme un puits artésiens (sauf que cela n'en était pas un).

Je ne conteste pas, puisque tu l'as vu; mais l'eau du fond devait être à température supérieure à celle de la surface. Volcanisme sous marin ???

• perte en charge

(j'ai lu ici que la vitesse d'écoulement économiquement raisonnable est de l'ordre de 2m/s).

En fait, dans le cas général, on considère une vitesse de 0.5m/s à l'aspiration d'une pompe et 1.5 à 2m/s au refoulement; la perte de charge à l'aspiration (fonction du carré de la vitesse) entraînant la cavitation de la pompe (vaporisation du liquide à l'entrée).
Je vais me lancer dans un calcul "pertes de charge sur 1200m de longueur d'aspiration avec un débit de 36000m³/h (10m³/s) pour voir si on peut monter à une vitesse aussi haute (0.5m/s) sans arriver au point de vaporisation. Mais cela va me demander "un certain temps".

Au sujet OTEC
Deux liens intéressants:
http://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_t...rgy_conversion
http://shamcher.wordpress.com/otec-history/

A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[cricri78]

Pour info; il existe des installations assez voisines de ton idée, sauf qu'on s'en sert avec des sources sous marines, non pas pour récupérer de l'énergie mais de l'eau... douce... Comme en tous cas on ne va pas (encore) aussi profond, c'est la différence de densité qui fait que ça marche.

Pour la vitesse de 2m/s, c'est vrai, mais cela dépend aussi de ce que l'on veut faire et, surtout si tu la qualifies de vitesse "économique", du prix de l'énergie !

[invitee0b658bd]

bonjour,
je crois que ce qui risque de conditionner le "tuyau", c'est la difference de pression entre l'interieur du tuyau et l'exterieur.
cette diference de pression sera directement liée à la vitesse de l'eau.
des structures goflables ( a l'eau) ne serait elles pas beaucoup plus economiques et beaucoup plus souples face aux differentes agressions possibles
et surtout beaucoup plus legeres a manipuler.
descendre un tuyau de beton de 1000 m de long, ce doit être un exercice sympathique. Alors qu'une structure relativement souple devrait être plus simple a manipuler.
cordialement
fred

[Zozo_MP]

Bonjour Fred

Peux-tu me dire de combien sera la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur du tuyaux disons sur les deux mètres compris entre -202 et -200 m.

De ce que j'ai vu ils utilisent des tuyaux de PE avec des bouées lestées réparties en chapelet sur toute la longueur pour éviter d'avoir un poids qu'à la verticale de la tête de puits.

Cordialement

[invitee0b658bd]

bonjour,
je ne voudrais pas dire de bétises, mais comme il s'agit vraisemblablement d'aspiration (la pompe en haut du tuyau) j'aurai tendance à dire que cette difference de pression ne devrait pas exeder 1 bar, sinon c'est la cavitation assurée
a moins que je ne me plante completement ce serait donc 1 bar maxi et vraisemblablement entre 0.3 et 0.5 bars en pratique.
cette difference de pression evoluant le long du tuyau en fonction des pertes de charge (diffrenece de pression entre l'interieur du tuyau et l'exterieur du tuyau plus forte en haut)
mais je ne suis pas du tout sur de ce que j'ecrit
fred

[polo974]

Merci pour l'intérêt que vous portez à mes questions.
J'ai fais mes premiers calculs au fil de la rédaction du sujet...

Ils sont fait avec une vitesse de l'ordre de 1.3m/s (4/pi), choix paresseux pour faciliter le calcul (débit 1m³/s diamètre 1m donc à n'importe quelle puissance = 1...) de perte en charge d'après la formule probablement simpliste utilisée.

Si on descend à 0.5m/s avec un débit de 10m³/s, le diamètre sera de l'ordre de 5m, un beau tunnel. Sans parler du col de trompette qu'il faudra mettre en bas pour ne pas avoir une perte singulière trop forte à l'entrée.

Le but était d'avoir un ordre d'idée de faisabilité.
mon premier jet donne une hauteur de perte de pression de 4m environ (2.6m de thermosiphon inverse et 1.6m de perte de charge) , donc la pression atmosphérique se trouve à 4m de fond dans le tuyau, on peut donc descendre la pompe à ce niveau pour avoir 1 bar avant cavitation.

Tant qu'on reste dans les moins de 10m, ce n'est pas trop un problème. Ensuite, ça doit se compliquer et ça consomme plus d'énergie...

Je n'ose par contre imaginer le temps de mise en vitesse d'une telle colonne d'eau (1200 tonnes pour une colonne de 1m de diamètre et 1500m de long), (sacrés coups de béliers si on met un robinet ...)

L'installation devant être pérenne (durable, c'est plus à la mode...), il faudra bien utiliser un matériau plus solide que de la gaine d'aspiration souple...
De plus elle doit résister à l'écrasement dû à la différence de pression.

Ensuite à comparer à un système de capteurs solaires thermique:
6h de soleil/jour, rendement 10%, flux 1kw/m² donc pour 3MW continu
3000*24/6*.10 => 120000m²
et un stockage de 3MW*18h soit 54MWh utile, soit 450MWh thermique (supposons avec un delta T de 60°C)
450 * 3600 / 60 * 4.18 => 6500m³
beau terrain et belle piscine (et encore, elle ne permet que de passer la nuit)...

[invitee0b658bd]

bonjour,
en solaire thermique, on fait quand même beaucoup mieux que 10 % de rendement, on monte sans trop de problème à 40 % si on reste dans des temperatures raisonables
pour monter un peu plus haut en temperature , les tubes sous vide ne sont pas mauvaishttp://www.retscreen.net/
sur ce site tu trouveras pas mal de choses sur le rendement des capteurs solaires thermiques et sur le calcul de ce rendement
fred

[invitee0b658bd]

re,

Je n'ose par contre imaginer le temps de mise en vitesse d'une telle colonne d'eau (1200 tonnes pour une colonne de 1m de diamètre et 1500m de long), (sacrés coups de béliers si on met un robinet ...)

une pompe actionnée directement par les vagues serait peut être une solution simple et économique.
de plus cela augmente implicitement le rendement, plus besoin de dépenser de l'énergie pour pomper , elle est prise ailleurs.
si il faut 48 heures pour démarrer l'ensemble, ce ne doit pas être franchement une catastrophe.
fred

[cricri78]

les pertes de charge, l'aspiration de la pompe ne me paraissent pas le plus dur à règler.
par contre trouver un système de supportage et un tuyau qui supporte de telles charges, poids, action de la houle, des courants,... me paraît une vraie gageure !

[Zozo_MP]

Bonjour Polo974

deux remarques qui me font me gratter la tête :

Je ne vois pas pourquoi l'on parle de différence de pression et d'écrasement possible du tube. Raisonnement : à 500 m de profondeur tu as sensiblement la même pression à l'intérieur et à l'extérieur du tuyau donc pas d'écrasement (principe des ballasts pleins). Si tu prend un tube de PEHP cela résiste à bien plus que 20 bars.

2ème : Ce qui t'intéresse c'est de récupérer de l'eau à peu près à 4°.

Donc serait-il possible d'utiliser le principe de la géothermie (eau-eau). L'eau chaude descend et se refroidie pendant la descente et ne se réchauffe pas trop en remontant si le débit est suffisant. Supposons que tu utilises le principe d'un U .
La boucle de retour est assez grande et se trouve à 1000 m de profondeur. Si tu met une branche du U disons à 30mètres de haut dans une citerne remplie d'eau et ouverte au sommet à l'air libre.

Est-ce que l'eau ressortira par l'autre branche du U placé au niveau de la mer ; par le principe des vases communicants (ceci en tenant compte de toutes les pertes de frottements).

L'eau à 30° rentre dans la citerne descend jusqu'en bas et remonte par la seconde branche du U à disons 8 degrès.
Si cela peut fonctionner il suffit dans ce cas de monter l'eau de trente mètres (ou plus) et éventuellement on peut en complément d'injecter de l'air comprimé à 7 bars à 50 mètres de profondeur dans la branche remontante et d'utiliser l'air comme les ascenceurs du plongeur. Il suffit de doubler ou tripler la section du U branche remontante sur une cinquantaine de mètres.

A noter que si le principe fonctionne tu n'est plus obligé d'aller aussi profond puisque dans ce cas tu peut multiplier les systèmes à peu de frais (si j'ose dire).

C'est l'idée générale mais je ne sais pas si cela peut fonctionner. Avis aux the spécialistes.

Cordialement

[cricri78]

bonsoir,
lorsque je parle de craintes vis à vis de la tenue du tuyau, je ne pense pas à la différence de pression, a priori très faible, mais à la traction sur le tuyau et le problème de l'assemblage (joints ou soudures )...

[invitee0b658bd]

bonsoir,
a l'interieur du tuyau tu as la pression externe - la pression de pompage aux pertes de charge prés
donc l'aspiration dont il est question est de l'ordre de 0.4 bar
il y a donc une difference de 0.4 bars entre l'exterieur du tuyau et l'interieur du tuyau quelle que soit la profondeur (si on neglige les pertes de charge)
0.4 bars, ce n'est pas forcément negligeable même si ce n'est pas enorme.
fred

[invite76532345]

Bonjour

a l'interieur du tuyau tu as la pression externe - la pression de pompage aux pertes de charge prés
donc l'aspiration dont il est question est de l'ordre de 0.4 bar

Ce n'est pas cela.
La pression statique est la même dans chaque plan horizontal tout au long de la colonne.
Avec de l'eau de mer "moyenne" on a 100.39 bar_g à 1000m de fond.
Avec la même eau à 10m de fond c'est 1.004 bar_g.
Comme l'eau circule dans ce tuyau, une perte de charge se crée (je suis en train de me "peler" le calcul dans différents cas d'exploitation) tout au long du tuyau (de "rien" à l'entrée à "quelque chose" au niveau de la pompe.
Des pompes de taille "honorable" 40.77m de HMT, rendement "moyen"; c.à.d 0.62, milieu de courbe ISO 13709
3600 m3/h ==> 772 kW et bien sur 36000m3/h ==>7.72 MW
ont généralement un NPSHr de l'ordre de 8m - 8.5m. Cette valeur correspond, pour simplifier, à la perte de charge (créée par la machine) dans le cône à l'entrée de la pompe (pas au long de la ligne d'aspiration).
Par contre les accidents de parcours (filtre à grille, boîte d'aspiration, etc) créent eux une perte de charge entre leur entrée et leur sortie à l'endroit où ils sont placés. Ce qui fait que la pression dynamique à l'intérieur du tube est légèrement inférieure à la pression statique.
Corollaire de ce NPSHr de 8.5m (cas le + défavorable): il faut au moins 8.5 + 0.6 = 9.10m (et non pas 4m) de profondeur au plan de référence de la pompe; cette hauteur mesurée dans le "creux" des plus grosses vagues "moyennes" à marée basse coef 120 du lieu d'installation (Eh oui, ça se passe en mer, pas à Paris XVI°)

Donc serait-il possible d'utiliser le principe de la géothermie (eau-eau). L'eau chaude descend et se refroidie pendant la descente et ne se réchauffe pas trop en remontant si le débit est suffisant. Supposons que tu utilises le principe d'un U .
La boucle de retour est assez grande et se trouve à 1000 m de profondeur. Si tu met une branche du U disons à 30mètres de haut dans une citerne remplie d'eau et ouverte au sommet à l'air libre.

Cela ne fonctionnera pas forcément:
1/ il faut tenir compte de la perte de charge non pas sur 1000m mais sur 2000m⁺ (aller + retour) de la boucle
2/ Si on monte l'eau de 30m, il faut une pompe. Autrement dit on installe une pompe qui donne 30m de HMT au niveau de la mer (Est-ce suffisant 30m, c'est un autre problème). Pourquoi une citerne en plus ?
Est ce pour appliquer la loi "Pourquoi faire simple quand on peut compliquer ?
3/ Avec une vitesse de circulation entre 1.5 et 2m/s il va falloir une sacré surface d'échange au fond si on veut que le refroidissement soit rapide.
D'où l'idée originelle (d'Arsonval, perfectionnée G.Claude): Pompons directement l'eau froide au fond.
A+

[cricri78]

bonsoir,
pas de problème de NPSH, il faut descendre la pompe c'est tout.
dans ton (gros) tuyau, l'eau va se comporter un peu comme une nappe, c'est à dir qu'il y aura un "rabattement". Celui-ci doit correspondre aux pertes de charge, et tes 4 m me paraissent plausibles.
donc si c'est une pompe immergée tu la mets à -10 m et tu devrais être tranquille.
après tout dépend aussi de la hauteur de refoulement dont tu as besoin et donc du type de pompe (a priori hélice ou hélico-centrifuge).
si c'est une pompe non immergée, il faut la mettre sur un machin flottant de telle sorte que sa hauteur d'aspiration reste constante et surtout très faible.

bon mais je me répète, le plus ardu est de concevoir un tube d'une telle section qui se supporte...
ensuite, pour trouver 1000 m de profondeur, il faut en général s'éloigner des côtes et il restera le transport de l'énergie....

[cricri78]

j'oubliais un "détail" : à 0.5 m/s, l'eau va mettre environ 33 minutes à monter et aura donc le temps de se réchauffer !

[polo974]

Bonjour,
Je rapelle d'abord que c'est juste une étude "pour savoir", je ne participe pas au dévelopement.
Pour la question tenue du tuyau:
il est "posé" au fond de la mer car à la réunion, ça descend à 45° environ d'où les 1500m de parcours pour 1000m de descente. (quand je dis pose, j'imagine bien que ce n'est sûrement pas aussi simple, mais moins problématique que "juste" suspendu depuis une barge)

En gros je suis d'accord avec papykiwi, la différence de pression est nulle au fond et augmente au fur et à mesure qu'on approche de la pompe (qui est quasiment en surface). Cette différence de pression est due en partie à la perte en charge et en partie à différence de densité de l'eau due à la différence de température.

A cela, il faut ajouter les pertes singulières d'où l'évocation d'un cornet à la base afin de ne pas pénaliser toute la colonne.
Mais 0.4bar de dépression, c'est pas rien quand même... (Et on a la moitié à mi hauteur...)

Je ne pensais pas qu'une pompe puisse avoir un NPSHr de 8m... (il faudrait donc la descendre d 'autant...) Mais, bon, normalement, on n'a pas besoin de refouler à 40m, ça devrait être moins pire.
Le mieux serait d'ailleurs de ne pas lever l'eau au dessu de la surface pour l'exploiter car on utilise aussi l'eau de surface pour avoir le delta T...
Heuresement, ça ne se passe pas à St Malo, ici la marée fait dans les 1m à tout casser, c'est plus la houle qui peut bien creuser...

Pour les pertes thermiques durant la remontée, je ne m'inquiète plus trop vu l'évaluation que j'ai fait au premier message.

Pour le rendement solaire thermique, je comparais le comparable: le rendement thermodynamique, vu qu'ici le but final est de produire de l'énergie non thermique.
En effet les capteurs solaires pour faire de l'eau chaude ont (heureusement) un meilleur rendement...

En fait, ce qui m'interessait, c'était de savoir si j'étais dans les clous ou dans les choux avec mon évaluation grosse louche.

[polo974]

Voici la suite de mes réflexions... (en attendant certaines confirmations sur la perte en charge et la perte thermique)

Bon, c'est pas tout d'avoir de l'eau froide à la surface, mais maintenant, il va falloir exploiter la chose...
Donc pour exploiter au mieux ce delta T°, il faut faire en sorte que cette eau froide approche en sortie de la machine thermodynamique la température chaude (limite impossible...).
Si on vise 90%, il faut 9 parts d'eau chaude pour une part d'eau froide soit (argh, encore du pompge dans l'air)
pour 75%, 3 parts d'eau chaude pour une art d'eau froide, c'et déjà plu réaliste...

Et ça donne quoi, un chiffre pareil?

Si on reprend le débit de 10m³/s (proposé par papikiwi), ça donne 30m³/s d'eau de surface. Si on considère une surface de 3m d'épaisseur, ça fait 10m²/s.
Si on considère un courant marin de 0.1m/s perpendiculaire à une ligne de captage, il faut alors que l'eau soit captée sur 100m de long. Donc en gros, il faut un ponton de 100m, le long duquel on pompe l'eau nécessaire à la source chaude de la machine thermodynamique... Pas pratique en alerte cyclonique.

Précision sur les chiffres choisis:
3m, c'est environ l'épaisseur de l'eau brassée par la houle, et pouvant capter une bonne part du soleil.
0.1m/s, c'est environ le courant minimal mesuré en juillet 2004 au Port Est (à la Réunion).

Bref, c'est toujours dans le domaine du faisable, mais le coté chaud est pas mal critique aussi...

Prochaine étape: évaluer la taille de la machine thermodynamique (ça risque d'être joyeux ).