Brevet FR2815336A1 — publié le 20020419

Appareil de dessalement d'eau, utilisant un cycle à air humide Le dessalement d'eau salée, notamment de l'eau de mer à environ 35 g de sel par kg, donne lieu à diverses variantes : distillation proprement dite à multiple effet (MED) où chaque étage fournit par condensation de vapeur pure la chaleur de vaporisation pour l'étage inférieur, - distillation par flash (MSF) où un courant important d'eau chaude donne heu à des ébullitions successives vers des condenseurs en vapeur pure refroidis par le même courant qui s'y préchauffe avant chauffage extérieur. compression de vapeur (VP) entre deux enceintes en équilibre thermique, en couplage avec un moteur thermique, osmose inverse, par passage de l'eau salée sous pression dans des membranes, cycles à air humide et pression atmosphérique, procédés faisant intervenir des fluides autres que l'air et l'eau. Pour les procédés comportant des chauffages au dessus de 800C, on acidifie l'eau de mer pour éviter des incrustations de calcaire, et l'on évite de dépasser 1200 pour éviter des incrustations de sulfate L'osmose inverse impose également des traitements chimiques, ainsi qu'un filtrage poussé. On peut utiliser en MED et MSF une trentaine d'étages et le rendement , rapport entre la chaleur de vaporisation de l'eau douce produite et la chaleur fournie, est couramment de l'ordre de 10 à 15 Les cycles à air humide et pression atmosphérique sont utilisés dans le cas de l'énergie solaire, utilisant des panneaux généralement sans concentration par des miroirs trop onéreux. Pour recueillir le maximum d'énergie par m2 de panneau, on a avantage à limiter la température maximale, par exemple à 70 C, alors qu'avec une circulation réduite on pourrait souvent obtenir 85OC0 A ces températures relativement basses, les procédés en vapeur pure, avec dégazage et composants résistant au vide, deviendraient trop onéreux Le rendement des cycles à air humide est resté bas parce que la dilution de la vapeur par de l'air, qui donne l'avantage d'uniformiser les pressons, réduit les échanges thermiques. L'énergie solaire n'a été utilisée que dans de petites Installations, pour lesquelles on admet des prix élevés par mètre cube d'eau douce. Un cycle à air humide a été proposé, comportant comme pour les procédés en vapeur pure des récupérations de chaleur entre les parties chauffantes et les parties condensates. L'air monte dans des canaux humidifiés par de l'eau salée chaude descendante. Après chauffage supplémentaire en saturation, l'air descend avec condensation dans des canaux en communication thermique avec les premiers, ainsi que dans un échangeur chauffant l'eau salée neuve Les canaux humidifiés par un débit d'eau relativement faible seraient de réalisation difficile et les débits respectifs ne peuvent être régulés pour limiter les écarts de température à chaque niveau en favorisant le rendement, comme cela sera décrit pour l'invention La présente invention vise un procédé à haut rendement, robuste et à bas prix. Selon cette invention, un appareil de distillation d'eau salée comporte- un saturateur à massif perméable dans lequel monte de l'air et descend de l'eau introduite chaude au sommet, un condenseur au sommet duquel est introduit l'air chaud saturé ainsi obtenu, et où cet air dépose de l'eau douce et chauffe l'eau salée brute ascendante, qui subit un supplément de chauffage avant de parvenir au sommet du saturateur, des évents à divers niveaux du saturateur vers le condenseur, réduisant le débit d'air saturé à mesure que la température s'élève, un récupérateur eau-eau qui préchauffe l'eau salée brute en refroidissant l'eau douce et l'eau sursalée produites, permettant de recycler l'air au dessus d'une certaine température. Par rapport au cycle précédent, on a recours à un débit d'eau plus important constituant un caloporteur, ce qui facilite la conception des canaux verticaux utilisés, et l'on renonce à l'échange direct entre l'air montant et l'air descendant. Les dispositions ci-dessus sont motivées par l'étude thermique du cycle. Pour obtenir un bon rendement, avec un débit d'eau constant (eau salée dans un sens, eau sursalée plus eau douce dans l'autre) le chauffage de l'eau au sommet être limité, par exemple à 2 C, et l'on doit garder cette différence de température entre l'eau montante et l'eau descendante sur l'étendue de l'évolution, 30 C par exemple entre 70 C et 400, la chaleur transmise correspondant surtout au changement d'état et le rendement étant alors de 15. Cela n'est pas possible avec un débit d'air constant, puisque la teneur en eau de l'air saturé et son enthalpie, à raison de 2500 kJ par kg de vapeur, croissent à peu près exponentiellement avec la température tandis que l'enthalpie de l'eau liquide croît linéairement On est ainsi conduit à fragmenter l'intervalle total de température par les évents, définissant des intervalles de 5 C par exemple où le réglage du débit d'air permet de garder sur la hauteur l'écart de température proche de 2 , à environ 0, 20 près. Il n'est pas indiqué d'étendre trop l'évolution vers les basses températures, car le débit d'air nécessaire et les pertes de charge augmentent alors beaucoup, la chaleur transmise par conduction dans l'air de dilution n'est plus négligeable par rapport à celle transmise par changement d'état, et les quantités d'eau condensée par kg d'air diminuent ainsi que le flux thermique. Avec la température basse de cycle de 40 C, on utilise un récupérateur eau-eau entre 200 par exemple et 400 L'appareil est en outre caractérisé par le fait que le condenseur et le récupérateur sont constitués par les mêmes plaques alvéolaires contenant l'eau salée ascendante, avec des espaces entre plaques consacrés en partie haute au circuit d'air saturé et en partie basse au récupérateur, cet ensemble étant accolé au saturateur sur la hauteur du condenseur. La conduction thermique de l'air saturé en condensation est la somme de la conduction à travers l'air sec et d'une conduction prépondérante par diffusion de vapeur, produit de la diffusivité de vapeur, légèrement croissante, de la chaleur de vaporisation, et de la dérivée de la teneur en vapeur, elle aussi en exponentielle, Dans les parties les plus chaudes, l'air saturé prend une conduction voisine de celle de l'eau et équilibre en enthalpie un débit massique d'eau dix fois supérieur. L'utilisation des mêmes plaques d'échangeur pour le condenseur et pour le récupérateur se trouve ainsi justifiée. L'invention sera décrite en utilisant les Figures suivantes : 1-Diagramme enthalpie-température pour l'air saturé, 2-Cycle de distillation, 3-Schéma général d'un distillateur, en coupe, 4-Schéma en plan du distillateur, 5-Coupe d'une jonction entre saturateur et condenseur au droit d'un évent, 6-Elévation de la même partie. Les panneaux solaires, séparables de l'invention, font l'objet d'autres brevets. Dans le diagramme de la Figure 1, montrant un cycle sans évents, l'enthalpie de l'air saturé entre 400 et 700 est donnée par un arc 1, celle de l'eau chauffante dans le saturateur par un segment 2 et celle de l'eau refroidissante dans le condenseur par un segment 3 parallèle à 2 et de l'autre côté de l'arc. Pour des débits constants, l'écart minimal en température correspond au contact en extrémités du segment 3 et de l'arc 1, et en partie médiane du segment 2 et de l'arc 1. Cet écart minimal vaut ici 6, 75 C et croît approximativement comme le carré de l'intervalle. Un intervalle réduit à 50 donne lieu à un écart minimal de 0, 2 , admissible comme irrégularité si l'on choisit un écart de 20, comme indiqué sur la Figure 2. La Figure 3 montre en coupe un distillateur comportant un saturateur 8 avec six niveaux de sortie vers un condenseur 10 constitué par des plaques alvéolaires extrudées 11 dans les canaux desquels monte l'eau salée neuve en chauffage, avant chauffe supplémentaire, par exemple par un panneau solaire 12. Les plaques 11 du condenseur 10, vues en coupe sur la Figure 5, sont écartées par des cales, par exemple des plots circulaires 14 collés sur une face de chaque plaque, pour former les espaces d'air saturé descendant. Le paquet de plaques est encadré par deux plaques de garde 16 écartées par des cales moins hautes, pour obtenir un débit d'air moitié. Une des deux faces ouvertes sur la tranche du condenseur est accolée au saturateur comme il sera décrit plus loin. L'autre face, qui pourrait aussi être accolée à un saturateur, est ici fermée par application d'une plaque 17 pouvant être en extrudé alvéolaire, munie d'un matelas souple d'étanchéité. Les extrémités haute et basse du paquet de plaques constituent les collecteurs d'entrée et sortie de l'eau salée, obtenus en fermant les espaces entre plaques et en ajoutant deux boites de collecte 18, 18'. Le saturateur 8 est constitué par un récipient cylindrique vertical 20, avec une paroi calorifugée métallique ou en toile tendue, rempli d'un massif en matériau perméable hydrophile 22 devant permettre à la fois un écoulement ascendant de l'air avec de faibles pertes de charge, un écoulement régularisé descendant d'eau chaude et un contact suffisamment fin entre l'air et l'eau pour obtenir un faible écart de température et une quasi-saturation de l'air. On utilise par exemple des granulats de terre cuite ou des lits de matière fibreuse. La réalisation étant moins complexe que celle du condenseur, la section peut être nettement plus importante pour accroître l'efficacité. A chaque niveau d'évent 23 on fait correspondre sur toute la section du saturateur un lit 24 à forte perméabilité horizontale pour obtenir dans le massif de saturateur, entre les niveaux d'évents, des écoulements verticaux propres à maintenir les écarts de température voulus. Ce ht 24 peut être constitué d'une feuille de matière plastique, perforée et ondulée, revêtue sur chaque face d'un grillage 26 si le massif est constitué de granulats. La paroi courante du récipient 20 est remplacée sur au moins une face verticale plane 28 par une paroi ajourée formée de lames rectangulaires 30 étagées en hauteur et écartées aux niveaux des évents On peut utiliser des profilés extrudés de matière plastique dont les alvéoles peuvent contenir des tiges filetées telles que 32 les reliant à des règles 34 attachées aux bords verticaux de la paroi du récipient. Les lits drainants 24 sont, lors du remplissage du récipient, ajustés sur ces trajets d'évents, leurs grillages 26 pliés pour venir en appui sur les lames. Les débits des évents aux divers niveaux doivent être réglés pour obtenir les écarts voulus de température dans l'appareil A cette fin, on peut glisser latéralement, entre des rebords de guidage prévus sur les lames 30, une lame 36 en matière perméable, qui dans un appareil expérimental peut être réglée en épaisseur ou percée de trous, les obstacles étant standardisés ensuite. Les orifices d'introduction des lames 36 sont étanchés. Le rebord supérieur de chaque lame 30, côté saturateur, comporte une pente montante en vue d'empêcher de l'eau salée de rentrer dans les trajets d'air du condenseur. Contre la face du saturateur ainsi aménagée, on applique le condenseur par la face restée ouverte sur sa tranche, à l'opposé de la plaque 17, avec interposition entre les évents d'un matelas élastique imperméable 38. Le condenseur est fermé latéralement par des plaques 16, maintenues en appui par des tiges filetées 40 passant à travers les matelas et portant des rebords de bridage 42. L'appui du condenseur contre le saturateur est assuré de manière démontable par des boulons 44 reliant les rebords 42 aux règles 34 sur le saturateur Au sommet du saturateur est Installé le dispositif d'alimentation répartie en eau salée chaude provenant notamment de panneaux solaires. Une tranche d'eau liquide 46 au-dessus d'un feutre peu perméable 48 surmonte le lit de drainage supérieur et répartit un débit proportionnel à la hauteur de la tranche d'eau, ce qui assure la régulation lorsqu'on fixe le débit entrant d'eau salée. La paroi du récipient 20 est posée sur un fond étanche 50 reposant sur une structure externe et formant une boite étanche qui reçoit l'eau sursalée. Le massif d'échange 22 repose sur une sole grillagée rigide 52 reposant sur le fond par divers appuis. Dans cette boîte est injecté, par un ventilateur 54, l'air refroidi extrait sous le condenseur, pour recyclage L'eau sursalée, obtenue à la température basse du cycle soit 420 par exemple, est transférée, par des pentes du fond 50, vers les espaces d'air du condenseur au dessous de cette extraction, la partie inférieure du condenseur devenant un récupérateur eau-eau 51 qui refroidit l'eau sursautée jusqu'à 220 par exemple en chauffant l'eau salée brute de 200 à 400. L'eau douce à 42 s'écoulant dans les espaces d'air du condenseur est déviée latéralement par des règles obliques 56 puis est refroidie dans le récupérateur selon un canal de faible largeur délimité par des règles verticales 58. Le débit total de l'eau sursalée et de l'eau douce étant égal au débit d'eau entrant, le récupérateur est équilibré. Pour maintenir les écoulements d'eau sans air, les sorties collectées de l'eau sursalée et de l'eau douce sont relevées par des tubes pour des sorties extérieures 60 et 62 au niveau supéneur du récupérateur. Pour une température donnée de l'eau chaude sortant des panneaux solaires, il faut en principe ajuster le débit d'eau au débit d'air au sommet et aux divers évents en maintenant un écart de température constant eau-air. Pour la simplicité, on prévoit, après réglage des pertes de charge aux évents, de fixer le débit global d'air et d'asservir le débit d'eau pour que les écarts de température air-eau soient égaux, à la base et au sommet. Il suffit donc d'utiliser quatre thermocouples et une régulation simple sur la vitesse de la pompe 64. La température au sommet devient variable. Dans le domaine des dimensions et vitesses choisies, les échanges restent dans le domaine laminaire et proportionnel. Pour une vanation globale de température sur le cycle, le rendement est alors une fonction inverse de l'écart de température et donc des débits d'air et d'eau. Pour une production donnée, le produit des surfaces de l'appareil et de l'énergie thermique consommée est constant, ce qui permet d'orienter l'optimisation, connaissant les pnx respectifs des surfaces et de l'énergie. En particulier, en énergie solaire, le produit des surface du distillateur et des panneaux est constant. Cependant, il est possible d'accumuler la chaleur solaire sous forme d'eau chaude dans un réservoir, le distillateur pouvant alors fonctionner jour et nuit et les panneaux solaires prenant plus d'importance relative. L'appareil ainsi décrit peut procurer une distillation à haut rendement (chaleur d'évaporation de l'eau douce produite, divisée par la chaleur utilisée), par exemple de 15, et il est de réalisation simple et économique. Les pièces nécessaires sont essentiellement des profilés extrudés à faible coût. Pour des productions importantes, il ne paraît pas nécessaire de modifier le dimensionnement de base ; on peut agrandir les saturateurs en multipliant les condenseurs disposés en périphérie. La température maximale relativement basse permet d'éviter les traitements chimiques de l'eau brute et d'utiliser des panneaux solaires ou des rejets thermiques de centrales électriques, avec un cycle électrogène peu affecté. A titre d'information, le premier dimensionnement choisi est le suivant : Plaques alvéolaires extrudées standard en polycarbonate d'épaisseur 3,5 mm, écartées de 2 mm pour les passages d'air, hauteur 2,2 m et largeur 0,15 m, Hauteur 1,2 m pour le condenseur, au dessus d'une hauteur de 0,90m pour la redistnbution et le récupérateur eau-eau, avec deux collecteurs d'eau de 0,05 m. 40 plaques donnant une largeur totale de 6m et un passage d'air de 0,012 rrf, surface totale de plaques 13,2 m20 Saturateur de section 0,3 m2, hauteur 1,2 m avec lits drainants de 0,015 m tous les 0,15 m, Débit d'air total visé : au sommet 9,24 g/s à 700C, à la base 33,72 g/s à 40 Puissance de ventilation pour 200 Pa de l'ordre de 10 W. Débit d'eau douce 4,11 gis ou 14,80 kg/h, débit total d'eau 92 g/s, Vitesse d'eau salée de 7 mm/s, perte de charge sur 2,2 m d'environ 40 Pa, négligeable. Variation d'environ 200 dans le récupérateur soit une puissance de 7690 W, obtenue sur 0,8 m avec un écart de 2 . Chauffe pour 20 sur 92 g/s : 770w et l'on prévoit 1 kW. Panneau solaire 2 m2 en plaque alvéolaire de polypropylène comme le condenseur, noire, collectée par collage de tubes fendus et revêtue d'une plaque alvéolaire en polycarbonate. REVENDICATIONS R1. Appareil de distillation d'eau salée comportant un saturateur 8 à massif perméable dans lequel monte de l'air et descend de l'eau Introduite chaude au sommet, et un condenseur 10 au sommet duquel est introduit l'air chaud saturé ainsi obtenu, qui en descendant dépose de l'eau douce et chauffe l'eau salée brute ascendante, cette eau recevant un supplément de chauffage avant de parvenir au sommet du saturateur, appareil caractérisé en ce qu'il comporte des évents 23 formant des fentes à divers niveaux du saturateur connectées aux niveaux à même température du condenseur et permettant des transferts d'air saturé qui réduisent le débit à mesure que la température s'élève. R2 Appareil selon R1, caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur eau-eau 51 ou récupérateur, qui préchauffe l'eau salée brute en refroidissant à la fois l'eau douce et l'eau sursalée obtenues, l'air étant alors recyclé au dessus d'une certaine température. R3 Appareil selon R1 ou R2, caractérisé en ce que le condenseur est constitué par des plaques alvéolaires extrudées rectangulaires 11 dont les alvéoles constituent les canaux pour le passage des débits d'eau à chauffer, ces plaques étant assemblées en paquets avec des espaces entre plaques, pour les passages d'air, maintenus par des cales, les canaux d'eau étant collectés aux extrémités par bouchage des espaces entre plaques et adjonction de boites de collecte 18,18', et les tranches latérales étant fermées sauf aux niveaux des entrées d'air correspondant aux divers évents et d'une sortie d'air au niveau inférieur. R4. Appareil selon R2 et R3, caractérisé en ce que le récupérateur 51 est constitué par les mêmes plaques que le condenseur, prolongées au dessous de la sortie d'air, chaque espace entre plaques recevant d'une part l'eau douce qui est déviée par une règle oblique étanche 56 vers un conduit vertical dans cet espace, d'autre part l'eau sursalée recueillie au fond du saturateur et entrant latéralement au dessous de ladite règle, chacun des écoulements d'eau douce et d'eau sursalée étant collecté latéralement et remonté par un tube jusqu'au niveau supérieur du récupérateur. R5. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le saturateur est constitué par un massif perméable 22 comportant à chaque niveau d'évent un lit drainant 24 à forte perméabilité horizontale. R6. Appareil selon R5 caractérisé en ce que le lit drainant est constitué par une feuille de matière plastique perforée et ondulée et par deux grillages appuyés sur les ondulations. R7. Appareil selon R5 ou R6, caractérisé en ce que le saturateur comporte au fond inférieur une sole perméable recouvrant un plenum étanche, dont le fond forme une pente dirigée vers le récupérateur, et qui est alimenté en air par un ventilateur aspirant à la base du condenseur. R8 Appareil selon R5 ou suivante, caractérisé en ce que le lit drainant supérieur est recouvert par un dispositif de distribution d'eau salée constitué par une cuvette à fond légèrement perméable 48. R9 Appareil selon R5 ou suivante, caractérisé en ce que la partie de la paroi du saturateur dans laquelle sont disposés les évents est constituée par des lames rectangulaires 30 laissant des intervalles verticaux formant les fentes des évents, ces lames comportant un rebord supérieur en pente vers le saturateur. R10. Appareil selon R9, caractérisé en ce que les intervalles entre les lames reçoivent un garnissage réglable 36 de matière perméable. R110 Appareil selon l'une des revendications précédentes, associé à des panneaux solaires. et à un réservoir d'accumulation d'eau chaude.