Brevet FR2576220A1 — publié le 19860725

-- 1 -- La présente invention est relative à l'obtention d'eau liquide par extraction et condensation de la vapeur d'eau présente dans l'atmos- phère. Elle porte sur un procédé et sur un dispositif en vue de cette ob- tention. On connait des procédés et dispositifs utilisés pour déshumidi- fier une atmosphère dans lesquelsl'air ambiant constituant cette atmosphère- est mis en mouvement par des moyens mécaniques et refroidi sous le point de rosée au contact de l'évaporateur d'un groupe frigorifique et sur lequel il abandonne une partie de sa teneur en eau notamment sous forme de givre. On connait aussi des dispositifs dans lesquels l'air, mis en mouvement par des moyens mécaniques passe au travers de granulés hydro- philes, des silico-aluminates par exemple, qui captent tout ou partie de la vapeur présente et qui, une fois saturés, voient leurs propriétés régénérées en étant portés à une température supérieure à 100 pour en extraire l'eau sous forme de vapeur qu'il faut encore condenser pour obte- nir de l'eau liquide. Dans d'autres dispositifs, l'air de préférence préalablement re- froidi passe en circulation forcée au travers d'un amas de fibres hygros- copiques au contact desquelles la vapeur se condense en tout ou partie et l'eau liquide obtenue est alors évacuée. Dans ces appareils connus, on se préoccupe essentiellement d'a- baisser le degré hygrométrique de l'atmosphère sans avoir en vue la produc- tion d'eau liquide,aussi présentent-ils-un certain nombre d'inconvénients ou d'insuffisancesles prêtant mal à cette fonction. Si l'on cherche à obtenir de l'eau liquide en quantité substantielle et à un coût abordable notamment dans les lieux o sa rareté en fait un liquide précieux, ces procédés et dispositifs s'avèrent tout-à-fait inadaptés, surtout du fait de leur faible rendement, de leur coût énergétique élevé tant à la fabri- cation qu'en fonctionnement et à leur défaut d'autonomie. Ce sont ces inconvénients majeurs que la présente invention vise à éliminer en proposant un procédé et un dispositif dont la mise en peuvre soit autonome et gratuite, sans nécessitésd'infrastructure particulière, et puisse être réalisée en tout lieu o de la vapeur d'eau est présente dans l'atmosphère et o le besoin d'eau liquide se fait sentir.. Les caractéristiques de l'invention qui sont reprises dans les -2- revendications et certains de ses avantages apparaitront à la lumière de la description qui suit et pour l'intelligence de laquelle on se référera au dessin dont la figure unique représente schématiquement en élévation et en coupe un dispositif utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention. L'invention met essentiellement à profit la propriété qu'acquiè- rent certains coprs convenablement traités de se comporter au rayonnement surtout dans le domaine de l'infrarouge, comme de véritables corps noirs et de rayonner leur énergie propre de sorte que leur température peut s'a- baisser nettement au-dessous de celle de l'ambiance. De tels corps dont il est question notamment dans l'article de Félix Trombe "Perspectives sur l'utilisation des rayonnements solaires et terrestres dans certaines ré- gions du monde" de la revue "Chauffage, ventilation, conditionnement" N 8, novembre-décembre 1974, seront appelés dans ce qui suit "échangeurs ther- miques radiatifs". Selon l'invention, l'air ambiant contenant de l'eau sous forme de vapeur est refroidi par au moins un échangeur thermique radiatif le long duquel il est canalisé et tend à descendre du fait de l'accroissement de sa masse volumique. L'échangeur enlève à l'air une partie de son enthae- pie et la transfère par rayonnement électromagnétique, essentiellement infrarouge, à au moins un radiateur qui l'absorbe. L'air refroidi passe au travers d'un amas de fibres hygroscopiques sur lesquelles la vapeur se condense en produisant de l'eau liquide qui est recueillie. L'air asséché passe ensuite dans un conduit o il est réchauffé par le radiateur et s'é- chappe naturellement vers l'ambiance du fait de la diminution de sa masse volumique. On voit que la circulation de l'air soumis au procédé se fait naturellement, par le seul jeu des gradients de température de masse volumique et de pression sur son.trajet, et qu'aucun apport d'énergie supplémentaire n'est nécessaire ni pour le mettre en mouvement ni pour lui extraire son eau. La description qui suit en référence au dessin d'un dispositif selon l'invention pour la mise en oeuvre du procédé permettra de revenir sur les différentes phases du processus et de le mieux comprendre. Le dispositif représenté au dessin comporte une enceinte exté- rieure 1 thermiquement isolante de Forme générale approximativement sphé- rique pour sa partie principale et de préférence conique en forme d'enton- noir 13 dans sa partie inférieure. L'enceinte extérieure 1 est ouverte à sa partie supérieure,ce qui ménage une entrée 2 pour l'air ambiant. -3- A l'intérieur de cette première enceinte 1 et approximativement concentri- quement est disposée une seconde enceinte 3 de forme adaptée à la première de sorte qu'elles définissent entre elles un espace libre 4. Une troisième enceinte 7 définissant un conduit intérieur 8 est disposée,à l'intérieur de la précédente selon son diamètre vertical et délimite avec elle un volume fermé 12. Cette troisième enceinte 7 communique à sa partie infé- rieure avec l'espace libre 4 et se prolonge à sa partie supérieure par une cheminée 9, de préférence thermiquement isolée, ouverte à l'ambiance. Depuis l'entrée 2 jusqu'à la sortie de la cheminée 9, par l'espace libre 4 et l'intérieur 8 de l'enceinte 7, existe donc un trajet continu libre pour l'air. Le sommet de l'entonnoir 13 est par ailleurs percé et muni d'un conduit 14 qui peut en outre jouer la fonction de support pour l'ensemble du dispositif. Sous les seconde 3 et troisième 7 enceintes et dans l'enton- noir 13 est disposé un rideau de fibres hygroscopiques 11, La seconde enceinte 3 est un échangeur thermique radiatif. Sa face extérieure 6 qui délimite l'espace libre 4 appelé aussi ci-après volu- me d'absorption,est absorbante du rayonnement électromagnétique et sa face interne 5 délimitant le volume isolé 12 est émettrice. La troisième en- ceinte 7 constitue un radiateur isolé de la précédente par le volume 12 et par un matériau thermiquement isolant au droit de sa jonction avec celleci. Le volume 12, mauvais conducteur thermique est transparent au rayonnement électromagnétique essentiellement infrarouge et est donc exempt d'humidité. L'échangeur thermique radiatif 3 peut être constitué d'une feuille de matériau connu sous la dénomination "Permaloid" comportant 97 % d'alumi- nium et 3 % de magnésium,polie de laminage et ensuite traitée. Un traitement convenable peut être pour la face absorbante 6 une immersion dans un bain de KMn04 à 5 à 20g/1 et de H2S04 en quantité correspondant à un PH voisin de 1, et pour la face émettrice 5,une oxydation anodique jusqu'à obtenir une couche de l'ordre de 25 pn d'alumine hydratée. D'autres matériaux con- venablement traités se prêtent également à la constitution de l'échangeur thermique radiatif unidirectionnel 3, mais cette constitution propre n'é- tant pas une caractéristique de l'invention ne nécessite pas d'autres déve- loppements. L'échangeur thermique radiatif 3 libère une partie de son énergie propre par rayonnement, essentiellement infrarouge dans des longueurs d'onde de 4 à 25 pn et a tendance à se refroidir au-dessous de la température de son ambiance constituée par l'air présent dans le volume d'absorption 4, l'écart de température pouvant atteindre un ordre de grandeur de 8 à 10 C - 4 - si l'émission est optimale,le volume 12 étant exempt de toute humidité et isolant la face interne 5 de tout apport énergétique rayonné. L'enthalpie de l'air du volume d'absorption 4 tendant, comme il est connu, vers un équilibre d'énergie minimale, l'échangeur radiatif 3 absorbe par sa face délimitant ce volume une partie de cette enthalpie, d'Qo il résulte un refroidissement de l'air, qui, sa masse volumique croissant tend à descen- dre en direction de l'entonnoir 13. Simultanément, le radiateur 7 captant l'énergie rayonnée par l'échangeur radiatif 3 réchauffe l'air présent dans le volume 8, dit d'é- chauffement. Cet air, voyant sa masse volumique décroitre, s'élève vers la cheminée 9 et s'évacue vers l'ambiance. Il s'ensuit une circulation natu- relle de l'air entre les volumes d'absorption 4 et d'échauffement 8 et un régime permanent est ainsi établi entre l'entrée 2 et l'évacuation 9. L'air refroidi en 4 traverse le rideau de fibres hygroscopiques 11 o la vapeur d'eau se condense en gouttelettes, qui par gravité, sont recueillies dans l'entonnoir 13 et évacuées par -lée conduit 14 vers une ins- tallation de stockage et/ou d'utilisation. Il est clair de ce qui précède que d'autres formes géométriques pour les divers constituants du dispositif peuvent être recherchées en fonc- tion des performances à obtenir, des contraintes d'utilisation et des coûts de réalisation, les formes et dimensions optimales résultant d'un compromis entre ces considérations. Dans tous les cas, on voit que le procédé et le dispositif selon l'invention sont parfaitement autonomes énergétiquement, ne né- cessitent aucune pièce mécanique en mouvement et peuvent être implantés en tous lieux sans infrastructure particulère. -5- REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Procédé pour récupérer sous forme liquide l'eau présente sous forme de vapeur dans une atmosphère, caractérisé par le fait qu'il con- siste à.refroidir en le canalisant (4) l'air ambiant au moyen d'au moins un échangeur thermique radiatif (3) qui capte (6) une partie de son en- thalpie et la transfère par rayonnement (5) à au moins un radiateur (7), à canaliser (4) l'air refroidi et le faire passer au contact de fibres hygroscopiques (11) sur lesquelles la vapeur d'eau se condense, à réchauf- fer (8) l'air asséché après son passage dans les fibres hygroscopiques (11) au moyen du radiateur (7) et à le laisser s'évacuer naturellement (9) vers l'ambiance et à recueillir (i3,14) l'eau liquide obtenue au droit des fibres hygroscopiques (11). 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le refroidissement de l'air en provenance (2) de l'ambiance se fait par passage en circulation naturelle de cet air dans un volume délimité par - une enceinte thermiquement isolante (1) et la face extérieure absorbante (6) de l'échangeur thermique radiatif (3). 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'air asséché est réchauffé par passage en circulation naturelle dans un conduit (8) interne au radiateur (7). 4.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comprend une première enceinte (1) thermiquement isolante, un échangeur thermique radiatif (3) formant une seconde enceinte intérieure à la première (1) et délimitant avec celle-ci un espace libre (4) ouvert (2) à l'ambiance à sa partie supérieure,la face externe (6) de l'échangeur (3) étant absor- bante et sa face interne (5) émettrice de rayonnement, et un radiateur (7) formant une troisième enceinte intérieure à la seconde et délimitant un volume intérieur (8) communiquant d'une part à sa partie inférieure avec l'espace libre (4) et d'autre part à sa partie supérieure (9) avec l'am- biance, et un rideau de fibres hygroscopiques (11) au droit de la commu- nication entre L'espace libre 4) et le volume intérieur (8). 5.- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'échangeur thermique radiatif (3) et le radiateur (7) délimi- tent un volume fermé (12) thermiquement isolant et transparent au rayon- nement thermique. 6.- Dispositif selon la revendication 3 ou la revendication 4, -6- caractérisé par le fait que le volume intérieur (8) au radiateur (7) com- munique avec l'ambiance par l'intermédiaire d'une cheminée (9). 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la cheminée (9) est isolée thermiquement. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que la première enceinte (1) est munie à son extrê- mité inférieure d'une conduite (14) permettant l'extraction de l'eau en pro- venance du rideau de fibres hygroscopiques (11). 9.- Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que la conduite (14) sert de support au dispositif pour son implantation. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait que la première enceinte (1) et l'échangeur (3) sont de formes approximativement sphériques concentriques dont le radiateur (7) occupe approximativement le diamètre vertical et que la.première en- ceinte (1) se prolonge vers le bas par une forme conique en forme d'enton- noir (13).