Brevet FR2615569A1 — publié le 19881125

La préceinte invention consiste a realiser une pompe atmosphérique solaire autonome destinee å l'exhaure de l'eau pour la consommation ou l'irrigation sous des climats méditérranéens ou tropicaux, bien ensoleilles, ceci A n importe quelle profondeur, entre les niveaux : - t metre a - 200 Mètres et meme plus théoriquement, soit dans des puits, forages OU en bordure littorale en toute région notamment désertique, pour peu qu une nappe phréatique ou rivière souterraine ou point d'eau quelconque à remonter existe. Le principe est une application relative aux gaz parfaits, suivant l'équation d'état des ga de CLAPEYRON P.V.= n.R.T. utilisant la pression que peut exercer de la vapeur saturée à une température T correspondante et produite. L'invention se compose donc d'un tube (l > ) appelé : " ballast " de longueur supérieure a la profondeur a atteindre, soude, ou bridé aux jonctions en cas de raccords, selon les techniques utilisées par les pétroliers, en acier, cuivre, et généralement en tous matériaux- conducteurs de chaleur, susceptibles de résister A de fortes pressions externes ( Mouvements de terrain et abrasion ), et/ou, internes (gaz). Le dimensionnement étant adapté aux conditions de profondeur requises, aux conditions climatologiques et aux besoins en débit. Le tub@@ ou ballast, (2) de diamètre variable. souvent adapté aux conditions du forage, a partir de 100 mm. et de longueur appropriee suivant les cas, est ferme a chaque extrémité ( 3 ) par des calottes semi sphériques bridées ou soudées qui le rendent totalement étanche A la vapeur, et susceptible de résister a une pression maximum de 30 bars. La calotte du haut comporte ( 4 ) à son pale : une ouverture, là aussi variable, quant au diamètre, destinée a recevoir un petit tube ( 5 ) : entree/sortie , diamètre moyen de 40 mm et de longueur moyenne : 300 à 500 mm, pouvant supporter les memes contraintes que le ballast quant a la qualité des raccords. L'extrémitè extérieure du petit tube, destiné à etre immergé. ( ) sera protégé par une crépine fixe, ou flottante si l'on peut prévoir l'étiage des eaux. La crépine sera elle meme protégée, par une armure en matière plastiquer a cet endroit perforée, ( 7 ) servant au recvuvrement d'une partie du ballast ( 8 ) aux fins de retenir l'isolant ( 9 ) en verre cellulaire incorporé, qui augmentera donc le diamètre final hors tout d'au moins 100 m/m > en fonction du coefficient d'isolation recherché dans la partie enterrée ( 10 10 ). ). A l'autre extrémité du petit tube, c'est A dire dans la partie intérieure du ballast ( 11 ), une soupape anti-retour, commande ( 12 ) par un flotteur lui meme solidaire d'un autre flotteur légèrement inférieur au diamètre du tube ( 36 ) destine à séparer les deux fluides, laissera entrer l'eau jusqu'à un niveau de consigne déterminé, sous la pression de la nappe d'eau ( 13 ). Cette soupape anti-retour peut avantageusement etre remplacée par une electro vanne commandée par des capteurs si l'on peut disposer d'une source d'énergie electrique, meme faible, comme par exemple l'utilisation de photopiles. ( 14 L'autre extrémité du ballast, elle, est destinee à sortir de terre de l'ordre de 3 a 5 mètres en moyenne verticalement ( 15 ) > ou avec une inclinaison (16 ) correspondant å une meilleure optimisation de l'insolation, en fonction des impératifs thermodynamiques au niveau des échanges de températures souhaités. Le ballast dans sa partie aérienne, comme pour la partie enterrée, est revetu de coquilles en verre cellulaire, servant cette fois, non plus d'isolant, ( 17 mais d'absorbeur de lumière grace A ses propriétés satisfaisantes de " corps noir "- une peinture noire spéciale haute température recouvre ( 18 ), en outre, la surface de ce verre cellulaireS pour la partie aérienne augmentant ainsi les effets d'absorption d spectre solaire. Dans les pays extremement chauds, on pourra utilement, s'abstenir de placer ce verre cellulaire pour la partie aérienne, un simple badigeon de la peinture spéciale noire sur la coque du ballast sera suffisant. A fleur de peau sur la coque ou sur le verre cellulaireS sera disposé ( 19 ), en dessous de la mi hauteur, un tube de cuivre noirci lui aussi, de petit diamètre intérieur, environ 12 mm > et convenablement torsadé pour qu'il n'y ait pas de problème de point bas, afin de favoriser une gravitation maximum de la vapeur qui se formera dedans. Ce serpentin de cuivre aura une longueur de 75 å 100 mètres, soit une contenance de : 7 à 12 litres d'eau, une des extrémités de cet échangeur etant reliee à une cuve de grande contenance ( 20 ) environ 1 m3 d'eau, alimentée par le trop plein de la pompe atmosphérique, et qui devra etre amorcée le jour de la mise en route.Cette cuve ou " tank " sera placée telle que son niveau d'eau soit à mi hauteur de la couronne de cuivre pour que celle ci soit toujours a moitie remplie ( 21 )ou qu'en cas de baisse inopinée du niveau dans le tank il y ait quand meme un peu d'eau dans la couronne. ( 22 ). Un clapet spécial sur le raccord ( 24 ) , bloque la provision d'ean du serpentin jusqu'à optent ion de la pression soulsaitee dans le ballast, pour s'ouvrir a nouveau et réalimenter le bouilleur. L'autre extrémité -du tube de cuivre sera introduite avec les précautions de résistance deja décrites dans le haut du ballast a environ 50 cm du pole sur le coté le plus accessible par une réservation ( 23 ). Enfin toute la partie aérienne du ballast sera ensachée dans un film plastique spécial longue durée de 30 ou 65 microns d'épaisseur, très transparent au spectre solaire, sauf dans l'infra rouge lointains ce qui assure déjà'un effet de serre optimisé. Cette enveloppe ou " manchon ", sera retenue par un système de cerceaux ( 24 ) créant une rigidité relative et permettant de s'éloigner de la paroi du ballast de quelques 70 mm ( 25 ) pour créer une lame d'air. Dans certaine région froide, mais ensoleillée, on pourra créer un deuxième manchon ( 26 )de diamètre légèrement supérieur : 60 mm, recouvrant le premier, ce qui évitera les déperditions calorifiques par suite des réémissions infra rouge du ballast et agira comme un isolant. Les extrémités du manchon seront ligaturées- sur coussins étanches, autour du tuyau d'entrée/sortie de 1 l'air ( 27 ) et du ballast ( 28 ) Le petit tuyau fixé sur le pole de l'extrémité aérienne du ballast servira à l'évacuation de la vapeur initialement introduite dans le ballast, pour la remise en équilibre du niveau d'eau a l'intérieur du ballast, en fin de cycle. Une simple balle de ping pong reliée par une tringle rigide, soigneusement mesurée, ( 29 ) au flotteur de la chasse d'entrée de l'eau servira de clapet anti retour ( 30 ) résistant à la pression de 3n bars en position haute des lors qu'il y aura montée en pression et s'-ouvrant automatiquement des lors que le niveau du flotteur aura atteint sa course la plus basse, permettant ainsi le remplissage du ballast en eau et le renouvellement d'air pour l'abaissement de la température nécessaire à l'équilibre du système. a balle est introduite dans un conduit ( 31 ) tubulaire perforé pour laisser passer l'air, un peu plus grand que son diametre et se plaque sur la collerette d' un jeint pour l'étanchéité.( 32 ). Le conduit a une dimension au moins égale a la course du flotteur pour l'eau. Un autre flotteur ( 36 ) isolant, spécialement conçu pour séparer le front d'eaux du volume " gaz vapeur et rendu étanche, coulissera le long de la paroi à l'intérieur du ballast. Ce dispositif permettra d'isoler les températures respectives du gaz chaud et de l'eau plus froide, évitant ainsi une condensation excessive de la vapeur interne. Le système décrit si-dessus est autonome et fiable, néanmoins si l'on peut disposer d'energie electrique éventuellement par photopiles, rien n'empecherait sa robotisation par electro vannes et régulation appropriée avec pressostat et moteur d'asservissement. On aura compris la marche de l'ensemble quand on saura qu'un tuyau de diamètre relativement petit de l'ordre de 20 à 40 mm suivant le dimensionnement de 1'installation, sortant de la base du ballast ( 33 ) bien en dessous du niveau de étiage des eaux, près de la calotte inférieure et longeant- comme les traceurs, la coque extérieure du ballast , ressortira au niveau du sol ( 34 )s > > d'où l'on verra sortir par éjections saccadées, on fonction des montées en pression interne, une quantité d'eau qui devrait atteindre 8 m3/jour dont 1m3 environ récupéré par un trop plein, servira A la production de vapeur saturante nécessaire.Cette vapeur, qui en plus de la dilatation de l'air surchauffé par l'exposition du ballast au soleil, confinée dans l'enceinte du ballast, creera la pression nécessaire pour pousser l'eau du ballast vers le bas dans le conduit jusqu'a la chasser quantitativement en corrélation avec les puissances variables obtenues, dues a l'aléa solaire. Quand on connait les problèmes que posent la faim dans le monde " pratiquement toujours liés au manque d'eau qui sévit sur la terre et qui manquera toujours plus å cause des effets démographiques il parait intéressant. de penser que cette invention apportera sa contribution efficace a l'exhaure de 1'eau, en concurrence certaine avec les systèmes de pompage contraignants adaptés mais onéreux dèjà existants tels que ceux nécessitant un apport d'énergie importants ou des transports lointains et des servitudes peu adaptés aux sites tropicaux : déserts, savanes...A noter que le rapport cout dtinstallation, en utilisant des photopiles, pour le meme effet diurne, représente 10 fois le cout d'une installation qui utiliserait la POMPE AUTONOME ATMOSPHERIQUE SOLAIRE, et que probablement elle intéressera des petits hameaux de brousse pour les usages domestiques ou des agriculteurs en quete d'irrigation indispensable. Des nomades meme, pourraient avoir de grandes satisfactions s'ils pouvaient trouver des points d'eau bien alimentés et autonomes, puisque sans surveillance. n noter qu'un jeu de batterie de ballasts contigus ( 35 ) permettrait de relever l'eau par paliers pour peu que l'on ne dispose pas dans un ballast de grande profondeur d'une force de pression suffisante pour ejecter l'eau a la surface. Dans ce cas l'exhaure de l'eau passerait par plusieurs ballasts judicieusement étalonnes pour que le dernier et le moins profond soit celui qui permette å l'eau d'atteindre la surface. L'entretien et la maintenance de l'appareil sont inexistants, exceptés dans le cas d'adjonctions électriques, on notera avec intéret que le tube mis en place, pourrait servir en cas de nécessité de remplacement, de cuvelage du forage, et permettre la réintroduction d'un nouveau ballast après avoir défoncé au trépan le fond difficilement accessible, de celui, devenu obsolète. La planche I reflète les différentes descriptions ri-dessusb avec Fig. I Le ie principe général Fig. 2 : La position inclinée ( 16 ) Fig. 3 : Le système en batterie ( 35 ). On notera sor la planche II ( ( Une seule figure ), l'amélioration en variante qui peut etre apportée au rendement général, ceci grace a une mi se en @euvre, néanmoins plus délicate, si la "plateforme " de séparation isolante (planche 1 - 36 ), rendue parfaitement étanche sur sa périphérie, par exemple par des presse-étoupes prets, cependant, à glisser, le long de la paroi du ballast dés lors que la pression augmentera, est doublée par une fixation similaire sur la tige ( 29 ), au niveau du ballast qui entre en terre ( 3 !- la première étant toujours au nivear de l'eau ou presque. L'ensemble constituant un piston ( 5 ) isolant par lui meme puisqu'il contient de l'air emprisonné, plus froid certes, mais n'ayant pas d'influence, sur la partie chaude, c'est à dire aérienne du ballast, là o justment le volume de l'air plus rduit cette fois augmentera plus vite en température, accélérant la durée du cycle2 puisque la pression nécessaire a l'exhaure de l'eau sera plus rapidement atteinte. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire, ( planche I ) pour l'exhaure de l'eau, caractérisée en ce que, elle comporte : un tube destiné à etre enfoncé en partie dans le sol, ( fig 1 ) pour atteindre une nappe d'eau souterraine ( 13 ) et dont la partie supérieure reste aérienne ( fi ) et sert de ballast, à air et vapeur, et la partie enterrée de ballast, à eau ( B ). Un jeu de vanne et de chasse ( 27 - 32 ) à chaque extrémité d tube, reliées par une tige rigide ( 29 ) > sont commandées dès qu'il y a perte de pression et s' ouvrent en meme temps. La pression est produite par la dilatation de l'air a laquelle s'ajoute la vapeur obtenue par un bouilleur ( 22 ) ) en partie aérienne qui entre directement dans la partie haute du ballast ( 19 ).L'évacuation de l'eau et sa remontée, s'opère grace à un petit tuyau parrallèle au tube ( 33 ), toujours libre. Un plateau isolant a l'intérieur du tube fixé sur la tige ( 36 ), sépare l'eau, de la vapeur. 2 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon la revendication 1 caractérisée en ce que i une partie du tube est en matière conductrice de la chaleur : le ballast est aérien ( A ) et recouvert d'une peinture appropriée noire ou pour les pays peu insolés ou plus frais d'un absorbeur solaire tel que du verre cellulaire en coquille , et, d'un manchon en film technique plastique transparent au spectre solaire spécialement sélectionne 26 ) créant l'effet de serre. 3 ) Pompe athmosphérique utilisant l'énergie solaire selon la revendication 1 & 2, caractérisée en ce que, elle comporte un serpentin ( 22 ) qui entoure le tube absorbeur. Ce serpentin appelé : bouilleur, produit de la vapeur qui rentre directement dans la partie haute du ballast ( 23 ) > son niveau est entretenu à mihauteur par celui du réservoir d'eau ( 20 ). 4) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, le corps enterré du ballast ( B ) > enfoncé verticalement dans le sol qui atteint et dépasse le niveau de la nappe phréatique comporte de l'isolant ( 10 )lui meme recouvert d'un tube ( 7 ). 5) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, le fond du ballast qui reçoit le volume d'eau à remonter à chaque cycle ( B ) comporte à l'intérieur un système de chasse d'eau ( 38 ) fixé latéralement, en dessous du niveau de la nappe phréatique et d'une vanne ( 11 ) qui ne laisse entrer l'eau que si la commande du flotteur ( 12 ) l'y autorise, quand le ballast est vide r ou à bas niveau d'eau. si la pression n'a pas tout chassé. Ce flotteur est lui meme solidaire d'une plate forme ronde isolante, dont le diamètre est légèrement inférieur à celui du ballast le long duquel il doit bien glisser, et qui sert à séparer les fronts, d'eau et d'air ( 36 ). 6 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que, l'intérieur du ballast en partie haute comporte une vanne d'entrée d'air extérieur, à la pression atmosphérique ( 32 ) , > laquelle une fois refermée par commande mécanique en liaison avec le flotteur ( 3*, ) > par un petit piston qui supporte un obturateur sphérique léger 40 ) , quand la pression s'exerce.Chaque cycle qui comporte un niveau de consigne ( 41 ) provoque une éjection d'eau ( 33 proportionnelle en volume aux pressions exercées par l'insolation extérieure et à tous les paramètres températures , volumes, pressions, obtenus et seront perpétués tant que ceux-si le permettront dans la journée. 7 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications de 1 a 6, caractérisée en ce que, elle comporte au niveau du sol en surface et reliée à elle, un réservoir ou tank ( 20 ) de retenue de l'eau et d'arrivée de celle-çi, d'un volume calculé devant permettre d'alimenter le bouilleur ( 19 ) -sans discontinuités. Le tank en partie haute ( 43 ), comporte un trop plein qui laisse l'eau s'écouler, alors qu'en partie basse, une vanne ( 24 ) anti retour de la vapeur, est disposée sur le conduit d'eau nécessaire au bouilleur. Ouverte elle permet d'alimenter le niveau d'eau du bouilleur ( 21 ). 8 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon la revendication 2 > caractérisée en ce que, une serre protectrice qui concerne de ce fait les revendications 1, 3, 4, 5, 6, 7, comporte un manchon fermé latéralement dans le sens de la longueur et qui est retenu par des anneaux ( 24 ), pour son maintien en diamètre légèrement plus grand que le diamètre du tube. Le manchon est rendu étanche par des ligatures ( 27 - 28 ) 9 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon l'une quelconque des revendications précédentes de 1 à 8 caractérisée en ce que, en variante, et disposant dans ce cas, d'énergie électrique, l'utilisation d'électro-vannnes régulées par pressostats, en foction des pressions exercées remplacent les systèmes d'obturations de la revendication 5. 10 ) Pompe atmosphérique utilisant l'énergie solaire selon la revendication 5. caractérisée en ce que, le dispositif de plate forme isolante de séparation des fronts d'air et d'eau comporte deux plateaux étanches, dans les applications de grandes profondeurs, ( Planche II ) l'un au niveau de l'eau ( 4 ) et l'autre relié par une tige rigide sensiblement au niveau du sol ( 3 ), formant ainsi un véritable piston. L'air emprisonné entre les deux plateaux sert d'isolant ( 4 ).