Brevet FR2277041A1 — publié le 19760130

La présente invention ecncerne un appareil de dessalement ou de distillation d eau de mer, et plus précisément un appareil qui comprend des éléments de dessalement en forme de plateau, empilés coaxialement et comportant des diaphragmes inférieurs inclinés vers l'intérieur, assurant une évaporation et une condensation comme décrit dans la suite. Le manque d'eau potable dû aux agglomérations de la population ainsi qu'à la croissance mondiale de la population peut entre supprimé par obtention d'eau douce à partir d'une quantité pratiquement illimitée d'eau de mer. Le procédé le plus simple et le plus général d'obtention d'eau douce à partir d'eau de mer est la distillation, pendant laquelle la vapeur produite à partir d'eau salée est séparée du sel et se condense sous forme d'eau douce Au cours de la distillation, la vapeur s'évapore de l'eau salée par absorption de chaleur d'évaporation, et se condense, et elle est séparée du sel avec suppression de la chaleur de condensation. Si la chaleur de condensation est réutilisée pour l'étape suivante, le rendement en eau produite augmente considérablement. L'invention concerne donc un appareil de dessalement à effetsmultiploe(assurant à la fois une évaporation et une condensation d'eau salée), l'utilisation efficace des différences de températures étant obtenue par maintien de l'eau entre des limites fixes de température et par utilisation de la chaleur contenue dans la vapeur, dans le#double roule indiqué. L'invention concerne donc un appareil de dessalement du type décrit dont le chauffage est peu coûteux étant donné que la vapeur se condense rapidement. On sait que le prix de l'eau douce obtenue à partir de l'eau de mer est déterminé par le prix de l'installation, additionné du prix de l'entretien de l'installation et de lténer- gie utilisée. L'invention concerne donc un appareil de dessalement à plieurs effets, ayant une structure simple et dans lequel les parties supérieure et inférieure des éléments de condensation constituent de3 surfaces d'évaporation et de condensation de vapeur respectivement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe verticale d'un mode de réalisation d'appareil de dessalement selon l'invention la figure 2 est une coupe verticale d'un élément de condensation de l'appareil de l'invention la figure 3 est une coupe partielle agrandie représentant plusieurs éléments de condensation la figure 4 représente schématiquement les échanges de chaleur dans l'appareil de l'invention la figure 5 indique les divers paramètres thermiques et leurs valeurs-dans l'appareil de l'invention ; et la figure 6 est un schéma indiquant les échanges thermiques dans un appareil classique, permettant une comparaison avec l'appareil de la figure 4. On considère d'abord le mode de réalisation d'appareil 20 selon l'invention, représenté sur les figures 1 et 2 et comprenant plusieurs éléments 2 de condensation inclinés vers l'intérieur et-empilés coaxialement dans un récipient 1, les éléments ayant la forme de plateauxet ayant une légère pente, vers le bas et vers le centre, à la partie inférieure d'un diaphragme 3 formant le fond de chaque élément de condensation, un orifice 4 s'élargissant vers le haut étant disposé au centre. Be diaphragme inférieur 3 a une paroi externe 6 dont la hauteur n'est pas inférieure à celle d'une paroi interne 5 délimitant l'orifice 4. Chaque diaphragme 3 comporte aussi une tuyauterie verticale 7 d'évacuation (figure 1) près de son bord externe, la partie inférieure de ces tuyauteries aboutissant à la partie supérieure de l'élément suivant 2 de condensation placé audessous. La tuyauterie 7 de l'élément inférieur 2b parvient à un tube 8 de sortie. Une tuyauterie 9 de refroidissement est disposée dans tous les orifices 4 et sa partie supérieure dépasse dans l'élément 2a disposé le plus haut et dans lequel elle est fixée. L'élément 2a est analogue aux éléments externes 2 de condensation, et la seule différence réside dans le fait que l'élément 2a ne comporte pas d'orifices. Les éléments 2, 2a, 2b de condensation sont empilés coaxialement et un récepteur est placé sous l'orifice inférieur 4, une tuyauterie il de purge étant associée au récepteur. Une source de chaleur 12 schématiquement représentée est disposée sous l'élément inférieur 2b ou une tuyauterie 13 de circulation d'eau chaude peut être utilisée (ces deux variantes étant représentées sur la figure 1),de manière que de l'eau chaude parvienne d'un autre dispositif non représenté dans le récipient 1, à la partie supérieure de l'éliment 2b. De plus, un tube 14 d'entrée est disposé sur l'élément supérieur 2a qui transmet l'eau de mer éventuellement provenant d'un autre dispositif. L'appareil ayant la structure décrite est très analogue à un appareil classique de rectification qui comprend plusieurs plateaux empilés les uns sur les autres. Ainsi, la répartition de températures varie verticalement, et les transferts thermiques dans l'appareil sont analogues à ceux d'un appareil classique de rectification. Cependant, il existe une différence en ce que la vapeur se condense à la surface des diaphragmes inférieurs 3 qui sont inclinés légèrement vers l'intérieur selon l'invention, et l'eau condensée se rassemble au centre et est retirée vers l'extérieur, par exemple vers le tube 8. Une partie du condensat peut tomber goutte à goutte dans les éléments 2 de condensation lorsque le rassemblement de l'eau n'est prévu que par gravité. Ainsi, il est avantageux, pour que le rassemblement de l'eau soit accru selon l'invention, que la tension superficielle à la surface du diaphragme soit accrue et facilite la croissance d'un film d'eau condensée. En conséquence, les diaphragmes 3 sont en cuivre ou en aluminium, comme représenté sur la figure 3, et des couches de toile ou tissées 15 peuvent être disposées sous les diaphragmes. Ainsi, la condensation goutte à goutte n'apparais pas alors que le rassemblement de l'eau est accru par la tension superficielle obtenue. Par exemple, lorsque le diamètre des éléments 2 de condensation est de 50 cm, et lorsque la différence de hauteurs entre les bords externes des diaphragmes 3 et leurs centres est inférieure à 20 mm, il apparat que le film condensé d'eau adhérant à la face inférieure des diaphragmes 3 tombe dans les éléments successifs 2 de condensation placés au-dessous, étant donné la croissance des gouttes d'eau condensée. Cependant, lorsque les couches 15 de toile ou de tissu sont placées sous certains diaphragmes 3 au moins comme indiqué, les gouttes condensées ne tombent pas même lorsque la différence précitée de hauteurs est inférieure à 5 mm. Dans ce cas, il est possible que les couches de vapeur évaporée (intervalle entre chaque surface d'évaporation et chaque surface de condensation) soient égales à 5 à 10 mm auxcentreset 15 à 20 mm aux bords. De plus, le pas d'empilement des éléments 2 peut entre abaissé à 15-20 mm. En conséquence, le temps pendant lequel l'eau est sous forme vapeur est très court, et la perte de chaleur devient faible lorsque l'appareil n'est pas véritablement du type adiabatique. En cours de fonctionnement, l'eau de mer, c'est-àdire de l'eau salée ou s#aline, s'écoule dans l'élément supérieur 2a par le tube 14 d'entrée et elle est conservée dans ce plateau, le surplus débordant dans les éléments 2 de condensation par les tuyauteries 7. Simultanément, l'excès d'eau précité descend dans la tuyauterie 9 de refroidissement.Lorsque tous les éléments 2 sont remplis d'eau de mer, l'élément inférieur 2b est chauffé par la source 12 de chaleur ou reçoit de l'eau chaude par la tuyauterie 13. L'eau de l'élément 2b s'évapore alors et la vapeur se condense entre la face inférieure du diaphragme 3 de l'élément supérieur 2 placé au-dessus et forme du liquide. le liquide se déplace vers le centre le long de la surface inférieure du diaphragme et se rassemble dans le récepteur 10, le long de la tuyauterie 9, par les orifices 4. 'lorsque la vapeur se condense, la chaleur de condensation est prélevée par l'eau de l'élément 2 qui se trouve juste au-dessus, sous forme de chaleur sensible, par l'intermédiaire du diaphragme 3, et la chaleur est utilisée- pour l'évaporation de l'eau. Chaque élément 2 produit de l'eau douce ou distillée par mise en oeuvre répétée de ce principe fondamental, l'eau se rassemblant dans le récepteur 10, par les orifices 4. La tuyauterie 9 passe dans les orifices 4 et empêche l'évaporation de l'eau distillée. De manière générale, la chaleur introduite par la source 12 ou 13 est utilisée sous forme de chaleur latente et de chaleur sensible. Cependant, dans l'appareil de dessalement de l'invention, la hauteur d'eau dans chaque élément 2 est très faible, car la pente du diaphragme 3 est très faible comme décrit précédemment. Ainsi, la plus grande partie de la chaleur provenant de la source de chaleur peut être utilisée sous forme de chaleur latente. D'abord, dans l'élément inférieur 2b de condensation, l'essentiel de la chaleur de la source peut être utilisé sous forme de chaleur latente pour l'évaporation de l'eau de mer, et la vapeur, contenant la chaleur latente, apparaît entre l'élément inférieur de condensation et l'étage placé juste audessus. lorsque cette vapeur vient adhérer au fond du second élément 2 de condensation, c'est-à-dire à la face inférieure du diaphragme 3 placé juste au-dessus, la chaleur de condensation est libérée, et l'eau condensée ou distillée pure est simultanément obtenue. La plus grande partie de la chaleur de condensation est ainsi utilisée comme chaleur d'évaporation, pour la raison précitée. En conséquence, plus le nombre d'éléments est important et plus le transfert de chaleur est important comme représenté sur la figure 4, le transfert étant indiqué par H1, H2,... Hn, la quantité d'eau condensée augmentant aussi. Comme représenté sur la figure 4, la température de l'eau des éléments 2 augmente vers le bas le long des éléments étant donné qu'une petite partie de la chaleur transmise par la source est utilisée sous forme de chaleur sensible c'est-àdire pour l'augmentation de la température de l'eau. il apparaît une différence AT entre les températures de l'eau introduite Li et de l'eau restante 12. lorsque l'appareil comprend N éléments et lorsque la chaleur H transmise à l'élément 2b est utilisée pour la production d'eau douce C, chaque élément 2 subit une différence de températures sensiblement égale à #T/(N-1). La quantité totale d'eau douce C est la différence entre la quantité d'eau introduite Il et celle de l'eau restante B2, c'est dire la quantité correspondant à la réduction. On réalise une expérience simple pour montrer la validité de l'hypothèse faite. La figure 5 représente la reparti- tion des températures obtenues expérimentalement avec les élé rents de condensation. Avec l'appareil de l'invention comportant trois éléments à la partie supérieure desquels est ajouté l'élé- ment 2a, 36,8 g d'eau à 250C sont versés par mn, et 6 kcal sont introduites par mn dans l'élément inférieur 2b ; la température de l'eau dans les éléments 2b, 2c, 2d et 2a (comme représenté sur la figure 5, indépendamment des références 2a et 2b utilisées antérieurement) augmente jusqu'à 100, 85, 70 et 550C respectivement. La quantité d'eau douce obtenue est de 10, 9,7 et 9,3 g (quantité totale 29 g) à partir des éléments 2c, 2d et 2a respectivement, et 7,8 g de vapeur s'évaporent librement à partir de l'élément supérieur 2a. Ainsi, la quantité d'eau introduite de 36,8 g, versée dans l'élément supérieur 2a par mn, diminue jusqu'à 29, t9,7 et 10 g lors de la descente et, à l'extrémité, on obtient O g/mn d'eau salée concentrée, dans l'élément inférieur 2b. Lorsque 600 calories sont nécessaires pour l'obtention d'1 g d'eau douce, on note d'après les données expérimentales indiquées sue 6 kcal sont consommées dans l'élément 2c pour 10 g d'eau donnant un rendement en eau produite de 100 % pour les 6 kcal qui sont transmises par l'élément 2b par mn. De plus, 9,7 x 600 = 5,85 kcal sont consommées dans l'élément 2d et 9,3 x 600 = 5,58 kcal sont consommées dans l'élément supérieur 2a, correspondant à un rendement en eau produite de 98 et 95 % respectivement. En conséquence, les valeurs estimées, c'est-à-dire 100, 98, 95 %, indiquent clairement la validité de l'hypothèse faite. Dans un appareil à plusieurs étages du type classique tel que représenté schématiquement sur la figure 6, l'eau de mer Il a une température qui augmente, l'eau recevant progressive- ment la chaleur latente de la vapeur sous forme de chaleur sen sible H1, H2, ... Hn, et étant évaporée en plusieurs étages après c1#uuff & e dans le dernier étage, la vapeur étant évacuée sous forme de l'eau restante 12. Par rapport à l'appareil classique d'évaporation à plusieurs étages dans lequel l'eau contient de la chaleur sous forme de chaleur sensible, dans l'appareil de dessalement de l'invention, l'élévation de la température de l'eau, par la chaleur sensible est très faible, et la plus grande partie de la chaleur latente de la vapeur est utilisée pour l'évaporation de l'eau, comme indiqué par les données expérimentales de la figure 5. En d'autres termes, l'appareil de dessalement de l'invention accrat le rendement en eau produite par utilisation en série des différences de températures, alors l'appareil classique d'évaporation à plusieurs étages utilise de façon répétée la chaleur, en parallèle. Le prix du traitement assuré par l'appareil de des salement d'eau de mer est très influencé par le type de la source de chaleur. Dans le cas d'un dispositif d'évaporation éclair à plusieurs étages qui met en oeuvre un procédé par évaporation en principe, on a utilisé de la vapeur peu coûteuse pour le chauffage, par exemple de la chaleur provenant des centrales thermiques et atomiques. Bien que l'invention ne soit pas limitée à une telle utilisation, l'appareil de dessalement de l'invention peut aussi utiliser efficacement comme source de chaleur l'énergie solaire, et une pompe de chaleur peut être utilisée comme source auxiliaire de chaleur. En conséquence, le prix du traitement assuré par un tel appareil de dessalement est réduit par utilisation d'énergie solaire constituant la source essentielle d'énergie, et d'une pompe de chaleur constituant une source secondaire de chaleur. Un autre procédé classique de dessalement- utilisant l'énergie solaire comme source de chaleur est le procédé mettant en oeuvre l'effet de serre. Lorsqu'un tel procédé connu est comparé au procédé et à l'appareil de l'invention, on constate que l'invention présente des avantages sur les deux points suivants au moins : d'abord, l'énergie solaire peut entre transformée en énergie thermique avec un rendement amélioré, et ensuite, le rendement en eau produite est amélioré par rapport à celui du procédé mettant en oeuvre l'effet de serre. Il faut noter en ce qui concerne les caractéristiques de l'invention, que la figure 2 représente une variante d'éléments de condensation portant la meme référence générale 2, mais ne comportant pas d'élément central (comme représenté sur la figure 1 au centre de l'élément supérieur 2a), la tuyauterie 9 n'atteignant pas cet élément supérieur. Cette figure représente une tuyauterie différente 13 d'entrée utilisée pour le chauffage, comportant une lèvre analogue à celle représentée sur la figure 1 pour l'élément inférieur 2b. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre, qui est défini dans les revendications annexées. REV5DJDICATIONS 1. Appareil de dessalement, caractérisé en ce qu'il comprend au moins trois éléments de condensation empilés coaxialement, les éléments ayant des parties supérieures sensiblement planes et des diaphragmes inférieurs inclinés vers le bas et vers l'intérieur, un tube placé au-dessus de l'élément supérieur et destiné à l'introduction d'eau salée qui doit entre dessalée, les diaphragmes ayant des parois internes qui remontent et délimitent des orifices centraux contigus constituant un passage axial dans l'ensemble de la structure, des tuyauteries d'éva- cuation disposéesentre chaque élément et l'élément placé juste au-dessous, sauf à partir de l'élément inférieur qui comporte à la place un tube destiné à l'évacuation de l'eau traitée, un dispositif de chauffage de l'élément inférieur, et un récepteur dé vidange placé au-dessous de l'orifice inférieur et destiné à retirer l'eau dessalée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comprend une source de chaleur placée -au-dessous de l'élément inférieur de condensation. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage est sous forme d'une tuyauterie destinée à transmettre de l'eau à l'élément inférieur de condensation, à une température supérieure à celle de l'eau salée introduite dans l'élément supérieur. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une tuyauterie de refroidissement dépassant de la partie inférieure dans l'élément supérieur de condensation et descendant dans le passage axial. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les orifices des diaphragmes s'évasent vers l'extérieur à leur partie supérieure. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des couches de condensation et d'inhibition dans la formation de gouttelettes, formées sur les faces inférieures de certains diaphragmes au moins. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les couches d'inhibition sont en toile métallique. 8. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que les couches dtirhibitlon sont en matière tissée. S. Appareil seLon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas d'empilement des éléments de condensation est compris entre 15 et 20 inin dans la structure, 10. Appareil de dessalement, caractérisé en ce qu'il comprend un certain nombre d'éléments de condensation empilés coaxialement sous forme d'une structure, les éléments ayant des diaphragmes inférieurs inclinés vers le bas et vers le centre, un tube d'introduction d'eau salée qui doit entre dessalée dans l'élément supérieur, un dispositif d'évacuation conduisant l'eau salée traitée entre les éléments consécutifs vers le bas, un dispositif de chauffage d'eau traitée à des températures de plus en plus hautes, par transmission de chaleur essentiellement latente de la vapeur de manière que l'eau soit évaporée à partir des éléments, un dispositif de condensation successive de la vapeur évaporée sur les faces inférieures des diaphragmes, un dispositif destiné à maintenir l'augmentation de température de l'eau salée par la chaleur sensible à une valeur minimale, et un dispositif mettant en oeuvre les différences de températures en série entre les éléments consécutifs, dans les dispositifs de chauffage et de coiidensation, donnant un rendement élevé en eau produite.