Brevet FR2429032A1 — publié le 19800118

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de distillation ou concentration d'une solution utilisant le pouvoir calorifique du. rayonnement solaire, ce procédé et ce dispositif étant plus particulièrement destinés au dessalement d'une solution saline, notamment d'eau Us mer pour répondre à des besoins en eau potable de faible-importance. Selon l'art connu,#ufle telle distillation ou concentra- tion d'une solution est habituellemont re.ilia#e dans une encsin- te du type serre qui, exposée au rayonnement solaire, est conçue de façon à permettre l'évaporation de la solution en apportant à cette dernière, directement ou par l'intermédiaire d'une surface absorbants, des calories du rayonnement solaire et de façon à permettre la condensation de la vapeur formée. Une enceinte du type serre, dans la partie inférieure de laquelle se trouve la solution, comporte une paroi transparente au rayonnement solaire destinée permettre l'effet de serre par réflexion du rayonnement infra-rouge et à assurer la condensation de la vapeur produite dans l'enceinte, le fond de cette dernière étant de préférence réalisé en un matériau absorbant le rayonnement solaire. Par conséquent, selon l'art connu, l'absorption du rayonnement solaire et la distillation de la solution ne sont pas assurées par des ensembles distincts de moyens. De ce fait, le rendement d'absorption du rayonnement solaire et le taux d'évaporation de la solution sont faibles. En effet, le rayonnement solaire est atténué par le condensat prisent sur la paroi transparente de l'enceinte, diffusé et réffléchi par la vapeur d'eau de l'enceinte ainsi que par la solution ella-meme. D'autre part, la distillation s'effectue A un faible niveau de température et ave-c un faible ficart de température entre la solution à évaporer et la paroi transparente de con sensation, cette dernière absorbant la rayonnement infrarouge venant de l'extérieur ou de la surface absorbante et l'éner- gie de condensation étant mal évacue lorsque les conditions climatiques ne sont pas favorables absence de vent). Enfin, une insolation trop importante conduit à une saturation de la distillation par élévation de température de la paroi transparente. De ce fait, les distillateurs de l'art antérIeur ont une eff icacité limitée par les inconvénients précités. La prfiasnte invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de distillation qui, tout en utilisant pour l'évaporation de la solution le pouvoir calorifique du rayonnement solaire, permet de dépesser la performance des distillateurs de l'art antérieur. Le procédé de l'invention se caractérise en ce qu'il consiste à réaliser, dans une enceinte exposée au rayonnement solaire, d'une part le-chauffage de la solution par échange de chaleur avec une surface susceptible d'absorber ls rayonne- ment solaire et, d'autre part, dans une chambre isolée thermiquement de ladite surface absorbante et de l'air ambiant, l'évaporation de la solution chauffée en établissant dans ladite chambre un écoulement de ladite solution et la condensation de la vapeur formée sur la paroi supérieure de ladite - chambre en irriguentzla face de cette paroi externe à la chambre par un fluide froid mis en circulation # contrecourant de la solution. Le procédé de l'invention tel que caractérisé ci- dessus, selon lequel l'absorption du rayonnement solaire et la distillation de la solution sont judicieusement réalisées, à l'intérieur d'une enceinte étanche, indépendamment l'une de l'autre, a notamment l'avantage de permettre - d'atteindre un rendement d'absorption du rayonnement solaire satisfaisant puisqu'il peut bénéficier des mises au point et améliorations techniques portant sur les absorbeurs so leires avec évitement noir ou meme sélectif et par suite d'atteindre une température de fonctionnement élevée, - de réaliser une distillation efficace car la température d'évaporation et l::técart de température, dans la chambre de distillation, entre la solution et le condenseur peuvent entre élevés compte tenu du bon rendement d'absorption du rayonnement solaire et de la température du fluide froid généralement inférieure à celle de l'air ambiant et peu liée à l'environnement, ni au régime de fonctionnement du distillateur. Selon une disposition préférentielle de l'invention, le procédé se caractérise en outre en ce qu'il consiste à préchauffer le solution par récupération de la chaleur latente de condensation de la vapeur formée dans ladite chambre, en utilisant comme fluide froid la solution froide à distiller. Cette disposition a l'avantage de permettre d'augmenter la quantité d'eau distillée susceptible d'être produite pour une puissance calorifique solaire donnée grâce au recyclage des calories de condensation dès lors utilisées pour préchauffer la solution. L'invention a également pour objet un dispositif de distillation ou concentration d'une solution utilisant le rayonnement solaire. Ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte, à l'intérieur diune enceinte étanche comportant une paroi exposée et transparente au rayonnement solaire, des moyens d'absorption du rayonnement solaire, une chambre d'évaporation de la solution et de condensation de la vapeur d'eau, des mayens pour isoler thermiquement ladite chambre, un échangeur de chaleur formant une paroi de ladite chambre, des moyens pour alimenter ledit échangeur en fluide froid, des moyens pour mettre en circulation la solution dans l'enceinte successivement au contact desdits moyens d'absorption et à travers ladite chambre à contre courant du fluide froid et des moyens pour collecter d'une part le distillat et, d'autre part, le concentrat produits dans ladite chambre. Selon l'invention, lorsque la solution constitue de façon avantageuse ledit fluide froid, lesdits moyens pour mettre en circulation la solution dans l'enceinte et lesdits moyens pour alimenter l'échangeur sont constitués par des moyens pour mettre en circulation la solution dans l'enceinte successivement dans ledit échangeur, au contact desdits moyens d'absorption et à travers ladite chambre, les sens de circulation de la solution dans l'échangeur et la chambre étant opposés. Selon une variante préférentielle de réalisation du dispositif de l'invention, ce dernier se caractérise en ce qu'il comporte - une enceinte étanche dont l'une des parois est exposée au rayonnement solaire, cette paroi étant réalisée enxun maté riau transparent, - une couche de matériau isolant thermiquement appliquée contre la face interne des parois non exposées au rayonne ment solaire de ladite enceinte, - un absorbeur du rayonnement solaire disposé dans l'enceinte sous sa paroi exposée audit rayonnement et espacé de cette dernière, - une chambre d'évaporation et de condensation de la solu tion disposée dans l'enceinte sous ledit absorbeur, - une couche de matériau isolant thermiquement, placée entre ladite chambre d'évaporation et ledit absorbeur, un échangeur de chaleur formant une paroi de ladite chambre d'évaporation pour la mise en circulation de la solution d'une extrémité à l'autre de ladite chambre, - un circuit de circulation de la solution comportant succes sivement selon le sens de circulation de la solution, l'échangeur, ledit absorbeur et ladite chambre, les sens de circulation dans la chambre et dans l'échangeur de la solu tion étant opposés, - des moyens pour collecter d'une part, le distillat et, d'autre part, le concentrat en sortie de ladite chambre. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparattront plus clairement au regard de la description qui suit d'un exemple de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, d'un dispositif de distillation selon l'invention, destiné à convertir, par le procédé de l'invention, une eau saumâtre aussi bien que l'eau de mer en eau potable. Cette description sera faite au regard des figures schématiques annexées sur lesquelles on a représenté - sur la figure 1, en perspective, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention X - sur la figure 2, l'évolution des températures des fluides présents dans la chambre de distillation du dispositif de l'invention d'une part, lorsque la condensation est assurée par une circulation d'un fluide froid auxiliaire et, d'autre part, lorsque la condensation est assurée par la circulation de la solution elle-mme.s et - sur la figure 3, la courbe caractéristique de l'ab- sorbeur solaire du dispositif à débit et flux solaire donnés. On voit sur la figure 1, que le dispositif de l'in vention se compose essentiellement d'un caisson étanche 1 dans lequel sont associés un absorbeur du rayonnement solaire 3, une chambre 5 de distillation de la solution constituée dans cet exemple par de l'eau saumâtre, des moyens destinés à la mise en circulation dans le caisson I selon un parcours approprié de la solution et des moyens destinés à la récupération du distillat produit et de la solution non vaporisée. Dès à présent, on précise que le caisson étanche 1 est disposé selon un plan incliné par rapport à l'horizontale de façon à augmenter le rendement d'absorption du rayonnement solaire grâce au maintien du caisson dans la position fixe le plus favorable pour que l'énergie collectée soit maximale. D'autre part, on note que ledit caisson 1 présente au rayonnement solaire une [ ou plusieurs vitre(s) 7 ordinaire(s) ou sélective(s) ou tout autre couverture transparente favorisant l'effet de serre par réflexion infrarouge et comporte sur ses parois latérales et sur le fond une couche d'isolant thermique 9. Plus précisément, ledit caisson 1 comporte-successivement de la couverture 7 jusqu'à la couche 9 d'isolant appliquée sur son fond - éventuellement une seconde paroi transparente ; - un absorbeur solaire 3 qui, séparé de la couverture 7 par une couche d'air, est essentiellement constitué de deux tôles métalliques ou de deux feuilles plastiques 3a et 3b délimitant entre elles au moins un passage pour la solution à chauffer, la feuille située en vis-à-#is de la couverture 7 étant revêtue d'un matériau noir ou sélectif.On précise que dans un tel absorbeur les tales ou les feuilles préci tees sont, soit renforcées par des nervures, soit maintenues en regard l'une de l'autre par des espaceurs définissant des canaux de circulation de la solution, - une couche 4 de matériau isolant destinée à soustraire de l'action thermique de l'absorbeur 3 la chambre 5 de dis tillation de la solution X - un condenseur 6 constitué de deux tales métalliques ou de deux feuilles plastiques 6a et Bb qui, assemblées comme celles de l'absorbeur, délimitent un passage pour la solution.On note que la tle ou feuille 6b définit la paroi supérieure de la chambre 5 de distillation 1 - une surface de ruissellement de la solution Il qui, à paliers ou rainures suivant l'inclinaison du caisson 1, définit la paroi inférieure de ladite chambre 5 de distillation de la solution. Le dispositif de l'invention représenté sur la figure annexée comprend, pour l'alimentation du caisson 1 en solution, un conduit 15 d'admission de l'eau saumâtre dans le condenseur 6, ce conduit pourvu d'une vanne de régulation du débit de l'eau saumâtre 17 débouchant à son extrémité supérieure dans un réservoir 13 d'eau saum tre situé à un niveau légèrement supérieur à l'extrémité supérieure du caisson 1, l'élévation du réservoir 13 étant destinée à fournir le pression nécessaire pour compenser les pertes de charge dans le caisson. D'autre part, il comporte un circuit de circulation de l'eau saumatre dans le caisson 1 comprenant ledit condenseur 6, une ou plusieurs conduites 19 qui, placées dans la couche 4 de matériau isolant, dirigent la solution à sa sor- tie de condenseur 6 dans le distributeur 21 de la solution dans l'absorbeur 3, l'absorbeur luivmême, puis une rampe 23 amenant la solution du collecteur 25 de la solution à sa sortie de l'absorbeur 3 dans le distributeur 27 de la solution sur la surface de ruissellement Il de le chambre de distillation 5. Par ailleurs, l'eau saumâtre non vaporisée et le distillat produit dans la chambre d'évaporation sont respectivement récupérés par le conduit de rejet 29 et le conduit 31 de récupération d'eau douce, ce dernier étant associé à un déflecteur 33. Selon un mode particulier de réalisation du dispo- sitif de l'invention, les paramètres dimensionnels préféren- tiels de ce dernier sont les suivants - la couche d'air séparant l'absorbeur 3 de la vitre 7 a de préférence une épaisseur d'environ 3 cm, - la couche de matériau isolant séparant l'absorbeur du condenseur a de préférence une épaisseur d'environ 5 cm, - la chambre 5 de distillation a de préférence une hauteur d'environ 5 å 10 cm, - l'épaisseur de la couche de matériau isolant appliqué sur les parois du caisson 1 est de préférence d'environ 5 cm. Le mode de fonctionnement du dispositif représenté sur la figure est le suivant. L'eau saumatre provenant du réservoir 13 est introduite dans le condenseur 6 à son extrémité la plus basse pour subir une préchauffe à partir des calories de condensation de la vapeur produite dans la chambre 5. Cette eau préchauffée est ensuite admise par l'intermédiaire des conduites 19 et du distributeur 21 dans l'absorbeur 3 qui lui transmet l'énergie thermique solaire captée. Cette eau chaude est alors distribuée par l'-intermédiairs du collecteur 25, de la rampe 23 et du distributeur 27 en haut de la chambre 5 de distillation d'où elle ruisselle sur la surface Il à contre-courant de l'eau saum tre froide circulant dans le condenseur en s'évaporant et se refroidissant. On note que la distillation s'effectue sur une plage de température étendue et non à une température constante mais avec un écart de température sensiblement constant entre l'eau saumâtre s'évaporant et l'eau froide circulant dans le condenseur. On a représenté sur la figure 2, l'évolution de la température de la solution s'évaporant selon qu'elle cons titue ou non le fluide froid destiné à la condensation de la vapeur formée. Sur cette figure, les courbes A1 et A2 représentent, lorsque la solution assure la condensation de la vapeur, le profil des températures de cette dernière dans le condenseur tA1) et le long de la surface de ruissellement (A2) et les courbes Bi et B2 représentent, lorsque la condensation est assurée par un fluide froid auxiliaire tet donc sans récuperation de l'énergie thermique de condensation), les profils des températures de la solution le long de la surface de ruissellement (B2) et du fluide froid (B1). On précise que la quantité d'eau distillée produite, selon le procédé de l'invention, dans la chambre 5, est sensiblement proportionnelle à l'écart de température entre les températures d'entrée et de sortie de la solution dans la chambre de distillation 5. Ainsi, la quantité d'eau distillée produite lorsque la solution est préchauffée dans le condenseur est proportionnelle, comme on le voit sur les courbes A1 et A2, à la quantité ATC + ATS - 0. dans laquelle l'écart de température C correspond à l'énergie thermique de condensation recueillie par la solution dans le condenseur 6 l'écart de température ATS correspond à l'énergie thermique recueillie par la solution dans l'absorbeur 3 et O est l'écart de tempéra- ture entre les températures de la solution & l'entrée dans le condenseur 6 et sur la surface de ruisselement Il à la sortie de la chambre de distillation 5. On peut noter que la quantité d'eau distillée produite lorsque la solution assure la condensation de la vapeur formée dans la chambre 5 est nettement supérieure à celle qui serait obtenue en assurant la condensation avec un fluide froid auxiliaire. En effet, dans ce dernier cas, la quantité d'eau distillée produite est proportionnelle, comme on le voit sur les courbes B1 et B2 à la quantité #T# - 8,' dans laquelle l'écart de température ATS correspond à l'énergie thermique recueillie par la solution dans l'absorbeur 3r ATS étant bien que supérieur à ATs, nettement inférieur B ATC + ATS et 0' est l'écart de température entre les températures de la solution sur la surface de ruissellement 11 à la sortie de la chambre de distillation 5 et du fluide froid dans le condenseur 6. Ainsi, pour un dispositif comportant une surface de ruissellement de 2 m2 si, dans le cas oh la solution est préchauffée, cette dernière était introduite dans le condenseur à un débit de 50 litres/he.ure et une température de 200 C, le débit de production de distillat pourrait être de 2,5 litres/heure pour un ATC de 280C, un AT5 de 200C et un O' moyen d'environ 200C. Par contre, si l'on introduisait, d'une part, dans le condenseur un fluide froid auxiliaire à une température de 200C et un débit de 50 litres/heure et, d'autre part, dans l'absorbeur la solution à une température de 200C et un débit de 50 litres/heure, le débit de production de distillat ne serait que de 1 litre/heure pour un ATS de 250C et un O moyen compris entre 10 et 150C. Comme le montre la figure 3 donnant la courbe de variation de la température de sortie TS de la solution de l'absorbeur en fonction de la température d'entrée TE de la solution# dans ce dernierj ceci tient au fait que la préchauffe permet de rehausser le niveau de température de sortie de l'absorbeur solaire, d'un AT inférieur sans doute au ATC gain récupéré à la condensation, car le rendement de l'absorteur décroît quand la température de fonctionnement croit, mais qui est forcément positif. Or, comme la chambre d'évaporation condensation fonctionne sur une large plage de températures et à contre-courant, ce Au gain positif se traduit nécessairement par un supplément de distillation en "plage haute" des températures, c'sst-à-dire dans la partie amont de la chambre d'évaporati#n ou s'établit le meilleur rendement. On voit sur la figure 1 que, dans le but d'augmenter la production d'eau distillée, le dispositif comporte en outre, en sortie du condenseur une vanne trois voies 33 et dans le conduit de rejet 29, une vanne 35. Ainsi, lorsque l'absorbeur passe en déperdition (fin d'après-midil, il est possible de découpler ce dernier et d'effectuer une distillation simple entre la masse d'eau résiduelle qui n'est plus évacuée par le conduit de rejet 29, une circulation d'eau froide étant.maintenue dans le condenseur. Par ailleurs, on peut envisager si la masse d'eau résiduelle chaude le permet, de poursuivre en fonctionnement nocturne en utilisant l'absorbeur en radiateur, après avoir retiré la couverture transparente (dispositif non représenté) consistant en une mise en circulation inverse d'un fluide d'abord refroidi dans l'absorbeur puis circulant dans le condenseur avant rejet. REVENDICATIONS 1. Dispositif de distillation ou concentration d'une solution, du genre de ceux qui comportent, pour assurer le chauffage de ladite solution des moyens d'absorption du rayonnement solaire, une chambre d'évaporation de la solution et de condensation de la vapeur produite, des moyens pour isoler thermiquement ladite chambre et un échangeur de chaleur formant une paroi de ladite chambre, caractérisé en ce qu'il comporte, intégrés à l'intérieur d'une seule enceinte étanche possédant une paroi exposée et transparente au rayonnement solaire, des moyens pour mettre en circulation la solution dans l'enceinte, successivement dans ledit échangeur, au contact direct des moyens d'absorption, et à travers ladite chambre, les sens de circulation dans l'échangeur et dans la chambre étant opposés, ainsi que des moyens pour collecter d'une part le distillat, et d'autre part, le concentrat produits dans ladite chambre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte - une enceinte étanche dont l'une des parois est exposée au rayon nement solaire, cette paroi étant réalisée en un matériau trans parent - une couche de matériau isolant thermiquement appliquée contre la face interne des parois non exposées au rayonnement solaire de ladite enceinte - un absorbeur du rayonnement scilaire disposé dans l'enceinte sous sa paroi exposée audit rayonnement et espacé de cette dernière ; - une chambre d'évaporation de la solution et de condensation de la vapeur d'eau disposée dans l'enceinte sous ledit absorbeur ; - une couche de matériau isolant thermiquement placée entre ladite chambre d'évaporation et ledit absorbeur ;; - un échangeur de chaleur formant une paroi de ladite chambre d'évaporation pour la mise en circulation d'une extrémité à l'autre de ladite chambre de la solution ; - un circuit de circulation de la solution comportant successive ment selon le sens de circulation de la solution , ltéchangeur, ledit absorbeur et ladite chambre, les sens de circulation dans la chambre et dans l'échangeur de la solution étant opposés - des moyens pour collecter, d'une part, le distillat, et d'autre part, le concentrat en sortie de ladite chambre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux parois réalisées en un matériau transparent. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que ladite enceinte étant placée sur une surface inclinée, ledit circuit de circulation est tel que la solution s'écoule dans ladite chambre par gravité. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour découpler ledit absorbeur et effectuer une distillation de la solution non vaporisée contenue dans ladite chambre, une circul#ation de fluide froid étant maintenue dans cette dernière.