Brevet FR2202037A1 — publié le 19740503

La présente invention se referant à la production d'eau potable à partir d'eau saline,préalablement filtr4e,assure l'épuration de cette dernière par congélation au contact de la surface externe d'une cloche de réfrigération pulsante. Dans l'état actuel de la technique d'épuration d'eau potable,la production d'eau douce s'obtient généralement par distillation à IOOOC sous une tension de Iatm. Mais,dans un tel cas,I kilo d'eau distillée absorbe environ (530+I00=630mth) dont 100 peuvent être récupérées par échange thermique. Par contre,lorsque l'évaporation s'effectue sous une tension cor -respondant à 500 0C absorbant I030mth ,33 de cette chaleur sont convertibles en énergie mécanique. On a ainsi 340mth dont l'équivalent mécanique est utilisable, selon le présent processus,pour la congélation d'eau. Cette cloche pulso-réfrigérante se caractérise par une mince pa -roi flexible totalement immergée offrant une surface intégrale d'échange thermique de très haute performance,de liquide à liquide, et cela, températures trè rapprochées. Or,la congélation met en oeuvre un processus thermodynamique exigeant d'autant moins d'énergie mécanique que l'écart de tempéra- -ture entre l'évaporateur et le condenseur est plus faible. Tel est présentement le cas. Âinsi,sachant que la température d'évaporation T2 du fluide frigorigène est dans ce cas -IO C ou 2630K et que la température de condensation TI est O#C ou 2730le coéfficient de performance d'une telle transformation est théori -quement : T2/(T1-T2) = 263/in = 26. Ce qui signifie qu'un tel système,travaillant en thermopompe, permet un déplacement frigorifique 26 fois plus important que l'équivalent mécanique mis en jeu. Par conséquent,I kilo d'eau, évaporée sous tension à 50000, peut produire : 340 . 26 = 9000 frigories. Sachant,par ailleurs,que la congélation de I litre d'eau saline, prise à IO C,exige 90mth,ce processus permet d'obtenir 9000/90rI00 litreS d'eau épurée contre I litre d'eau évaporée à IOOOC. Il est donc évident que la congélation est énergétiquement plus ava#ntageuse que la distillation. Mais la congélation exige gdnéralement un mécanisme complexe et volumineux servant à briser et recueillir la glace qui adhère sur les surfaces d'échange thermique. La présente invention consiste à tirer avantage de la congélation../. ../..sans adhérence de la glace. Â cet effet,un processus pulsant,agissant par flexibilité verti -cale de la cloche(I),fig.I,s'oppose à la fixation superficielle de glace. La flexibilité verticale de la dite cloche,apparentée à un soufflet cylindrique de section ondulée(2),s'exerce sur toute la hauteur ainsi que sur le dôme qui la surmonte. Le processus pulsant est obtenu sous l'effet d'une variation phPI,S'exerçant périodiquement sur la face interne de la paroi on -dulée de la cloche,la face externe restant constamment soumise à la pression atmosphérique P. Le fluide frigorigène,s'évaporant tout en ruisselant contre la face interne des ondulations de cette cloche,constitue l'agent fluctuant de la tension interne. La variation rythmée de la tension interne est produite,selon les proportions de la cloche,soit à faible débit par deux pistons agissant alternativement dans deux cylindres Jumelés,soit à grand débit ou cloches multiples par un système,s'apparentant à un arbre à cames de moteur à explosion,qui met périodiquement l'enceinte de chaque cloche pulsante en relation avec l'embouchure d'aspiration d'un groupe turbo-compresseur. C'est ainsi,que l'aspiration des pistons provoque une brusque succion interne se traduisant périodiquement, selon la relation P > p1,par un léger affaissement de la cloche pul -sante aussitdt suivi d'un relåchement résilient dès que cesse la dépression rapidement compensée par l'évaporation intensive du fluide frigorigène. C'est la répétition de ce processus qui,pulsant à basse fréquence, s'oppose à tout affermissement adhérent de la glace. Cette dernière cristallise donc au sein du liquide de la chambre de glaciation(3)et remonte par différence de densité jusqu'à la surface libre où un dispositif rotatif(4)la recueille, l'essore et la transfère vers un thermo-échangeur (5). Dans cet échangeur ,constituant ,selon les proportions de la cloche ,soit un volant de réfrigération, soit la chambre de fusion de glace ,stenroule un serpentin - échangeur (6) dans lequel cir -cule ,soit la vapeur frigorigène froide et détendue ,soit la va -peur comprimée qui s'y condense à OOC. Le liquide frigorigène condensé passe ensuite dans un second serpentin de sons - refroidissement (7) disposé autour d'une buse centrale d'aspiration (8) où il se refroidit Jusqu'à -8iC. Ce serpentin débouche sur un pointeau à flotteur(9)qui assure le niveau constant de l'évaporateur (IO). De là,le liquide s'élève sous sa propre pression de condensation jusqu' un distributeur cruciforme(II)aboutissant à une rampe cir -culaire (I2) munie d'une Jupe élastique (ID) qui le laisse par -tiellement ruisseler jusqu' la base de l'évaporateur. Â ce niveau,iI est repris par une pompe à membrane(I4) qui l'ex- -hausse sans fin jusqu'au distributeur cruciforme commun. Le mouvement rythmique de cette.pompe est sous la dépendance directe des pulsations de la vapeur dont la tension interne varie alternativement de p à PI. Or,à cette action statique,il convient d'inclure l'action dyna -mique de cette vapeur passant par la buse centrale d'aspiration. Cette dernière,captant la vapeur près du d#me,accentue d'abord la dépression å ce niveau aussitôt suivie d'une surpression dynamique obtenue par déviation de 1800 de la vapeur aspirée. Puis,sur sa lancée,cette vapeur se dévie à nouveau d'un angle de 900 sur la propre membrane de la pompe en y exerçant une surpression. C1 est ainsi,que chaque dépression assure le remplissage de la pomps,aussitat suivi d'un refoulement par l'action conJointe d'un ressort de rappel et de la pression dynamique de la vapeur. Or,le liquide exhaussé Jusqu'au distributeur est partiellement retenu par la jupe de la rampe circulaire qui ne le libère totale -ment qu'à chaque affaissement pulsant de la cloche. Âinsi,le liquide ruisselle sur les ondulations succéssives par l'intermédiaire d'autres rampes également circulaires (I5) qui prennent effet à chaque sommet d'ondulation et canalise le liquide Jusqu'au creux de chacune d'elles. Par ailleurs,la section d'attaque de chaque rampe est également munie d'un déversoir de trop-plein largement dimensionnée dont l'incurvation,calquée sur la précédente,canalise aussi le liquide excédentaire dans le creux de l'ondulation suivante. Dès lors,une couche liquide de faible épaisseur ruisselle cons -tamment contre la paroi interne de la cloche dont la face externe est totalement immergée dans l'eau saline. Or,le liquide frigorifique contient par unité de volume beaucoup plus de chaleur que n'en contient sa vapeur. Par ailleurs,l'échange thermique entre les deux liquides est grandement favorisé par une paroi de faible épaisseur en métal rêsilient.Ce métal est protégé sur ses deux faces par une ...t... .../..pelure polymérisée de 80 microns de résine apoxy trs tenace, souple et inerte à l'égard du fluide frigorigène et de l'eau saline. Âinsi,le système d'échange thermique mettant en jeu,par unité de surface,une quantité de chaleur beaucoup plus importante que la vapeur,introduit la capacité en ce domaine. Ceci permet la mise en oeuvre d'épurateurs standardisés de fai -ble encombrement,dotés d'une grande capacité de production et uti -lisables isolément ou par batterie. Un tel épurateur d'eau saline est composé de plusieurs éléments principaux,concentriquement disposés,tels qu'une carapace calori fugée(16),la cloche pulso-réfrigérante,proprement dite,et la buse centrale d'aspiration. Entra la carapace externe et la cloche pulse-réfrigérante sont disposés les accéssoires de transfert d'eau saline(I7),d'eau sur -saline(18)et de glace(19)ainsi qu'un triple échangeur (20). Âinsi,par l'intermédiaire de ce dernier,l'eau saline s'intro -duit Jusqu'au sommet de la chambre de glaciation à une températu -re très proche de la congélation,tandis que par leur petit embout de sortie respective,l'eau épurée et l'eau sursaline sortent sen -siblement à la température initiale de l'eau saline introduite par un troisième petit embout. L'ensemble de ces éléments est assujetti à un socle (2I) d'où s'effectue le transfert de la vapeur frigorigène par l'intermé -diaire de deux gros embouts latéraux,l'un d'aspiration (22) et l'autre de refoulement (23). Une cloche pulso-réfrigérante,portative ou fixe,m#e par lténer- -gie musculaire ou autre,convient particulièrement au camping (bord de mer,tle sans eau) ,à toute embarcation (sauvetage,cabotage, plaisance) ainsi qu'aux phares. Par ailleurs,de puissants groupes électrogènes,d'ordre énergéti -que nucléaire ou autre,peuvent faire mouvoir des batteries de clo -ches standardisées afin d'assurer l'habitat et la fertilité d'tles sans eau,fou#rnir l'eau épurée aux villages côtiers,voire aux villes c#tières,procurer l'eau épurée aux båtiments de haute mer et, à plus lointaine échéance* contribuer à l'irrigation continentale par l'intermédiaire de grands aquaducs et de stations de pompage. RE1J 10/Système épurateur d'eau saline par congélation avec éléments thermo-échangeurs annulaires sous carapace calorifugée, caractérisé par une cloche de réfrigération pulsante à mince paroi inaltérable et résiliente,de section ondulée qui se déforme périodiquement par affaissement flexible,sur laquelle la glace ne peut adhérer lors d'échanges thermiques de haute performance réalisée par un ruissel -lement évaporateur sur une face interne et une immersion sur la face opposée. 20/Dispositif,selon la revendication I,caractérisé par le fait que les affaissements périodiques sont dts à la flexibilité verti -cale d'ondulations horizontales,disposées parallèlement sur toute la hauteur de la paroi cylindrique de la cloche et concentriquement sur un dôme qui la surmonte. 30/Dispositif,selon les revendications I & 2,caractérisé par le fait qu'un des moyens permettant de produire les affaissements pé -riodiques d'une cloche pulso-réfrigérante est l'action alternative de deux pistons qui,glissant dans deux cylindres Jumelés, aspirent périodiquement la vapeur frigorigène contenue dans la cloche en créant ainsi une succession d'états dépressifs internes PI sur les -quels réagit la pression atmosphérique P,selon la relation P > pI. 4 /Dispositif,selon les revendications I & 2,caractérisé par le fait qu'un des moyens permettant de produire les affaissements pé -riodiques de plu#sieurs cloches pulso-r#frigérantes est une comman -de,apparentée à un arbre à cames de moteur à explosion,qui met en relation successive l'enceinte de chaque cloche avec l'embouchure d'aspiration d'un turbo-compresseur aspirant ainsi la vapeur fri -gorigène contenue tout en créant une succession d'états dépressifs internes PI sur lesquels réagit la pression atmosphérique P,selon la relation P#p1. 5 /Dispositif,selon la revendication I,caractérisé par le fait qu'un des moyens permettant d'obtenir un échange thermique de très haute performance sous un très faible écart de température entre le liquide frigorigène interne et l'eau saline est une série de rampes circulaires à double incurvation parallèle canalisant le liquide dans le creux de chaque ondulation interne.Ces incurvations, l'une d'écoulement laminaire,l'autre de trop-plein,plus largement dimensionnée,assurent le ruissellement évaporateur du liquide../.. ../..frigorigène contre la Daroi verticale de la cloche pulso rdfrigérante qui transmet ainsi les frigories à l'eau saline con -tenue dans une chambre de glaciation. 60/Dispositif,selon les revendications I & 5,caractérisé par le fait qu'un des moyens d'obtenir un échange thermique de haute per -formance est une pompe à membrane qui exhausse constamment l'ex -cédent liquide du ruissellement évaporateur vers la rampe circu -laire supérieure. 70/Dispositif,selon les revendications I,5 & 6,caractérisé par le fait qu'un des moyens d'obtenir un échange thermique de haute performance est un pointeau à flotteur de cuve à niveau constant qui participe à l'exhaussement du liquide frigorigène tout en ré -gularisant son entrée dans la chambre d'évaporation. 80/Dispositif,selon les revendications I,2 & 7,caractérisé par le fait qu'un des moyens d'assurer le fonctionnement de la pompe à membrane et d'entretenir les affaissements périodiques de la clo -che est une buse centrale d'aspiration qui oriente correctement les effets dynamiques de la vapeur frigorigène. 9#/Dispositif,seion la revendication I,caractérisé par le fait que le moyen permettant d'obtenir un coéfficient de performance d'un thermopompage élevé,par échange thermique de la glace formée et du fluide frigorigène comprimé,est une chambre annuleire de fusion-condensation à température constante de OOC. IO /Dispositir,selon la revendication I,caractérisé par le fait que le moyen d'accrottre la production d'eau épurée,consiste à ca -naliser les divers liquides salin,sursalin et épuré dans un tri -ple échangeur thermique localisé entre la chambre de glaciation annulaire et une carapace calorifugée montée sur un socle à 5 em -bouts de raccordements affectés par ordre de grandeur croissante à l'eau épurée,l'eau sursaline,l'eau saline,la vapeur frigorigène comprimée et la vapeur frigorigène détendue. II /Dispositir,selon les revendications I & 2,caractérisé par le fait qu; n e rendre inaltérables les deux faces de la cloche en métal résilient est la polymérisation d'une pelure de 80 microns de résine époxy très tenace, souple et inerte au fluide frigorigène interne ainsi qu'à l'eau de mer.