Brevet FR2641064A1 — publié le 19900629

; 2641064 i- Procéd6 de refroidissement et. de déshumidification 4'air chaud et humide ainsi qu'installation permettant !1a mise'en oeuvre de ce procédé" La présente invention se rapporte à un procede de refroidissement et de déshumidification M 'airchaud et humide. Les conditions de températures et d'hygromé- vtrie qui règnent dans les pays tropicaux posent-des !.roblèmès tout particuliers à leurs habitants, liés au ouhait, pour des raisons de confort, de développer {:!es installations de climatisation, tant domestiques A:ue Collectives, et surtout, à l'obligation de remé- oiieraiu problème crucial du manque d'eau, qui est ca- Mamtroehique pour certaines populations. Le seul moyen ide résoudre ce problème semble être de dessaler l'eau À 4e mer. Les dispositifs de climatisation sont gêné- ialembnt basés sur un refroidissement par contact, dans un échangeur refroidi par un groupe frigorifi- lqe; cette technique, qui donne toute satisfaction :Iam lee pays tempérés n'est malheureusement que diúffcîlement adaptable à grande échelle aux pays ftropicaux étant donné le caractère onéreux et fragile dessalement de l'eau de mer. Le but premier de l'invention est de propo- ser un procédé de refroidissement d'air chaud plus particulièrement destiné à des pays tropicaux qui puisse facilement être mis en oeuvre dans des instal- lations individuelles de climatisation et soit peu sophistiqué, c'est-à-dire de coût peu élevé, et paral- lèlement de nature à permettre de déshumidifier l'air ambiant, qui, sous ces latitudes, est toujours forte- ment chargé en humidité, augmentant par là le confort des populations. Selon l'invention, ce procédé est caractéri- sé en ce que, dans une première phase, on comprime l'air, puis, dans une seconde phase, on le soumet à une détente adiabatique, c'est-à-dire sans échange de chaleur avec l'extérieur, en récupérant l'eau -conden- sée par suite de l'abaissement de la température de l'air. La mise -en oeuvre de ce procédé est princi- palement basée sur le fait bien connu que le point de saturation de l'air varie avec la température, ou, en d'autres termes, que, à saturation, la teneur en va- peur d'eau de l'air chaud est nettement plus importan- te que celle de l'air froid. En effet, l'air à 90'C peut contenir environ 400 g de vapeur d'eau par mètre cube, tandis que cette valeur s'abaisse aux environs de 32 g/m3 à 35*C et 5 g/m3 à 4'C. Par suite, si l'on fait subir à de l'air fortement chargé en humidité préalablement comprimé, une détente dans des conditions essentiellement adiabatiques, la diminution de la pression a pour co- rollaire une forte diminution de la température (par suite de l'équation représentative des conditions adiabatique PVg = Cte, considérée en combinaison avec l'équation d'état des gaz parfaits: PV = RT) et donc, pour les raisons susmentionnées, entraîne une impor- tante diminution de la teneur en humidité de l'air. Il est clair que le procédé décrit ci-dessus peut avantageusement être utilisé pour la réalisation d'installations de climatisation particulièrement simples et rustiques. Un autre avantage de ce procédé est lié au caractère exothermique de la réaction de détente, et surtout, de la réaction de condensation de la vapeur d'eau: l'énergie restituée par la condensation d'une masse d'un kilogramme de vapeur d'eau est en effet de l'ordre de 700 Wh. En conséquence, si l'on traite un air primitivement à une température de 35'C, saturé à 90 %, c'est-à-dire contenant 32 g/m3 de vapeur d'eau, de façon à abaisser sa température à 4'C, celui-ci, à saturation, ne peut plus contenir que 5 g de vapeur d'eau par mètre cube; ceci signifie que, pour un ren- dement théorique de 100 %, on devrait en cours de pro- cessus liquéfier 27 g d'eau par mètre cube d'air, et donc produire une énergie égale à 18,9 Wh par mètre cube d'air. Dans la réalité, on ne peut, bien entendu, pas effectuer l'opération de détente dans des condi- tions parfaitement adiabatiques, et par suite, le rendement n'est jamais égal à 100 %; la quantité d'énergie récupérée est cependant toujours apprécia- ble, et peut avantageusement, selon une autre caracté- ristique de l'invention, être utilisée, lors de la phase de compression. Compte tenu de ce qui précède, il est clair que le procédé susmentionné permet, d'une manière simple, d'obtenir parallèlement, d'une part de l'air frais et relativement sec, et, d'autre part, de l'eau ayant subi un processus de distillation, donc d'une grande pureté. Conformément à l'invention, on a tout naturellement pensé à utiliser à plus grande échelle cette possibilité d'obtenir de l'eau fraîche et pure pour mettre au point un procédé permettant le dessale- ment de l'eau. A cet effet et selon une caractéristique préférentielle de l'invention, avant de le comprimer, on traite l'air dans une étape préliminaire en le chauffant notamment par l'énergie solaire et en le saturant en vapeur d'eau par évaporation d'eau salée provenant de la mer ou de lagunes. La rentabilité de ce procédé est en fait liée à l'efficacité de ce chauffage préliminaire: en effet, comme il a déjà été indiqué, de l'air chauffé à C, peut contenir jusqu'à environ 400 g d'eau par mètre cube à la pression atmosphérique normale. L'invention se rapporte également à une installation permettant la mise en oeuvre du procédé susmentionné. L'élément principal de cette installation est constitué, selon l'invention, par un turbo- compresseur qui traite directement l'air chaud et humide en le comprimant et en le détendant. Pour lui permettre d'effectuer l'opération de compression de l'air chaud et humide de départ, le turbo-compresseur est entraîné par un moteur électri- que, qui peut être alimenté par un réseau électrique ou encore par une photo-pile pour lui permettre d'être autonome. Un élément utile, sinon indispensable, pour obtenir des basses températures est un échangeur air- air destiné à refroidir l'air comprimé avant son in- jection dans la turbine. Il est clair qu'ainsi conçue, l'installation conforme à l'invention est extrêmement simple et peut être utilisée de manière particulièrement avantageuse pour la climatisation des habitations tropicales, que ce soit au niveau domestique ou collectif. Lorsque, parallèlement à une telle climati- sation, on cherche à obtenir de l'eau pure à partir d'eau salée, il est nécessaire d'augmenter artificiel- lement la température de l'air de départ pour augmen- ter sa teneur en humidité par suite d'évaporation d'eau salée. A cet effet, et selon une autre caractéris- tique de l'invention, l'installation comporte une serre permettant au soleil de surchauffer l'eau que l'on cherche à dessaler. Pour améliorer l'évaporation, il est possi- ble, selon une autre caractéristique de l'invention, de recouvrir la surface de l'eau à évaporer d'un caillebotis noir. Une autre possibilité pouvant être mise en oeuvre pour augmenter la température de l'air de départ consiste à faire appel. à au un chauffe-eau solaire notamment à concentration. Dans tous les cas, on peut, avantageusement si nécessaire, récupérer les gouttes d'eau entraînées par l'air à l'aide d'un éliminateur de gouttes d'eau. Dans tous les cas, la consommation en éner- gie de l'installation est bien entendu nettement dimi- nuée en utilisant, au niveau de la compression, le travail de détente majoré de l'énergie de condensation de l'eau. Il est à noter que pour des températures d'air humide saturé supérieures à 90C, l'installation peut être énergiquement autonome. Le moteur électrique d'entraînement du compresseur ne consomme alors plus d'énergie, et peut même fonctionner en alternateur et produire de l'énergie électrique si la température de départ de l'air dépasse 95'C. Dans ce cas, le turbo- compresseur est une machine à vapeur utilisant le mélange binaire air/vapeur d'eau. Les caractéristiques du procédé ainsi que de l'installation qui font l'objet de l'invention seront décrites plus en détail en se référant aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de l'installa- tion utilisée en climatiseur, - la figure 2 est un schéma de l'installa- tion utilisée en dessalement. Selon la figure l, l'élément principal de l'installation est constitué par un turbo-compresseur 1 subdivisé en un compresseur 2 qui comprime l'air de départ et en une turbine 3 qui le détend. Le compres- seur 2 est entrainé par un moteur électrique 4, qui, conformément à la figure, est alimenté par une photo- pile 5 mais qui pourrait également être combiné à un réseau électrique; un échangeur air-air 6 abaisse la température de l'air comprimé. Selon la figure, l'air de départ, chaud et humide, est aspiré selon la flèche I par le compres- seur, puis, l'air comprimé II est refroidi en V et ar- rive dans la turbine 3 dans laquelle il subit une dé- tente adiabatique pour ressortir, selon la flèche III, à sa pression de dé-part; lors de cette étape, une partie importante de l'eau initialement contenue se trouve condensée et peut être récupérée selon la flèr che IV. L'énergie libérée lors de cette étape de dé- tente et de condensation est renvoyée selon la flèche a vers le moteur 4 d'entraînement du compresseur 2 dont il diminue la consommation électrique. Selon la figure 2, on associe à l'installa- tion de climatisation susmentionnée un réservoir d'eau salée 10 qui est surchauffée par le rayonnement solai- re A à l'aide d'une serre 7; l'évaporation est amé- liorée grâce à l'adjonction d'un caillebotis noir 8 immergé qui recouvre la surface de l'eau. D'une manière similaire à l'installation décrite ci-dessus, l'air surchauffé au niveau de la serre 7 arrivant selon la flèche I' est aspiré par le compresseur 2 puis, l'air comprimé refroidi en V par- vient à la turbine 3 o il subit une détente adiabati- que pour être rejeté selon la flèche III; parallèle- ment, l'eau distillée est récupérée selon la flèche IV dans un réservoir 9. Il est clair que l'installation objet de l'invention peut être utilisée: - dans sa première version pour la climati- sation des habitations en zone chaude et humide au niveau domestique ou collectif. En desséchant l'air, il apporte le confort. - dans sa deuxième version, pour le dessale- ment de l'eau de mer ou de lagunes dans les zones chaudes, également au niveau domestique ou collectif. Il produit une eau pure. R E V E N D I C A T I ONS 1') Procédé de refroidissement et de déshu- midificatio- d'air chaud et humide, caractérisé en ce que, dans une première phase, on comprime l'air, puis, dans une seconde phase, on le soumet à une détente adiabatique en récupérant l'eau condensée par suite de l'abaissement de la température de l'air. 2') Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'on utilise, lors de la phase de compression, l'énergie restituée par la condensation de l'eau. 3') Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant de le comprimer, on traite l'air dans une étape prélimi- naire en le chauffant notamment par l'énergie solaire et en le saturant en eau. 4*) Procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'eau de saturation est obtenue par évaporation d'eau salée. 5e) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un turbo- compresseur (1) qui traite directement l'air chaud et humide en le comprimant et en le détendant. 6') Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une serre (7) permettant au soleil de surchauffer l'eau que l'on cherche à dessaler. 7') Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur de refroidissement de l'air comprimé. 8') Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un chauf- fe-eau solaire notamment à concentration. 9') Installation selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un caillebotis noir (8) immergé à la surface de l'eau que l'on cherche à dessaler. ') Installation selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un éliminateur de gouttes d'eau permettant de récupérer les gouttes d'eau entraînées par l'air.