Brevet FR2834334A1 — publié le 20030704

La présente invention concerne un dispositif autonome pour sécher, ventiler ou déshydrater des produits, alimentaires ou non, grâce à l'utilisation de l'énergie du soleil. La conservation de produits alimentaires hors de leur saison de production est, depuis fort longtemps et dans de nombreuses contrées, principalement assurée par le séchage. L'abaissement du taux d'humidité en dessous d'un seuil, variable de 5 à 12 % en fonction des produits, empêche le développement des bactéries et moisissures qui, sinon, les dégradent. Cette méthode simple permet de profiter toute l'année des bienfaits des aliments de saisons. La plupart des autres modes de conservation (stérilisation, congélation, lyophilisation) hormis la lacto-fermentation, dégradent fortement les propriétés, les vitamines et les qualités des produits. Il ne nécessite ni cuisson, ni ajout de sucre ou de conservateurs. Il préserve les vitamines et sels minéraux des produits. Il est très économe en énergie. Les produits séchés prennent peu de place, ils sont faciles à stocker. Ils sont légers et énergétiques, on peut les emmener en randonnée ou en voyage. Le rayonnement solaire représente une source gratuite d'énergie qui, coïncidant durant de larges périodes d'ensoleillement avec la maturités de nombreuses productions agricoles, peut permettre la valorisation simple et économe de grandes quantités de produits. Le séchage, pour être efficace et de bonne qualité, nécessite que les produits soient disposés à l'ombre, protégés des insectes et des animaux, dans un flux d'air de température moyenne (inférieure à 55 C), de basse humidité relative et fort pouvoir évaporateur. La première phase de séchage permet d'évaporer l'eau libre , la seconde assure la migration de l'eau contenue dans les tissus vers la surface des produits. L'air chargé d'humidité doit être en permanence évacuée ou asséchée. Le séchage s'effectuait autrefois naturellement sur les plantes ou les arbres, dans les greniers, sur des claies aux soleil ou dans les fours de boulangerie encore tièdes. Il demandait une surveillance constante et de nombreuses manipulations. Il peut être obtenu, à l'extérieur, par exposition directe aux rayonnements solaires, mais les fréquences ultraviolettes dégradent les vitamines. Une croûte se forme à la surface des produits, empêchant la migration de l'eau contenue dans les tissus, les produits sont attaqués par des insectes ou d'autres animaux. En période nuageuses ils ne sèchent plus, la nuit et en période humide, ils doivent être abrités. Le séchage derrière un vitrage permet de protéger les produits d'une partie des rayonnements néfastes, des animaux et de l'humidité. Le temps de séchage est réduit par une augmentation de la température mais cette dernière étant difficilement contrôlable, la qualités des produits risque d'être dégradés par une température trop importante. Le séchage à l'ombre , dans un grenier par exemple, chauffe moins les produits mais est beaucoup plus long, ces derniers risquent de se dégrader avant d'être secs. Plusieurs universités et organismes ont étudié le séchage des produits alimentaires et les capteurs plans à air (universités de Perpignan, de Valenciennes, de Bordeaux, de Pau, de Hohenheim, CIRAD, GERES, GRET, GERDAT, IRFA, FAO, CEAS, ENDA, . De nombreuses personnes et associations ont construit des modèles de séchoirs artisanaux ou proposé des plans (ASDER, Terre vivante, fondation Nemo,...) Quelques tentatives de fabrication et vente de séchoirs solaires virent le jour dans les années quatre-vingt (ICARO, SOLAPRELE, ASDER, SERESOL,...). Elles furent arrêtées par la petite taille du marché de l'époque et la difficulté de produire un matériel robuste et efficace à un coût attractif. Actuellement, les produits alimentaires séchés industriellement, le sont par brassage dans un puissant courant d'air chaud, d'air sec ou de gaz inerte, par alternance de vide et de surpression, par trempage dans un fluide osmotique, par contact avec des plaques chauffées, par exposition à des micro-ondes ou par combinaison de ces différents procédés. Il existe des séchoirs de taille familiale qui créent un courant d'air chaud grâce à des résistances et/ou un ventilateur électriques. Ils consomment une énergie non négligeable. Les séchoirs solaires qui utilisent la convection naturelle ne sont réellement efficaces que par fort ensoleillement, il ne permettent qu'une utilisation saisonnière. Le temps de séchage est d'au moins trois jours. Les séchages d'automne et d'hiver étant moins efficaces réduisent le rendement global des appareils. Leur encombrement et leur poids étant généralement important, les utilisateurs ne peuvent facilement les mettre à l'abri en hiver, ce qui réduit leur durée de vie. Il existe des séchoirs solaires mixtes qui utilisent une autre source d'énergie en appoint (électricité, gaz ou fioul). Ils sont généralement de grande taille et, le plus souvent, destinés au séchage de plantes médicinales (Promes, Masserey, sofas,...). Les séchoirs solaires comportent généralement un capteur à air constitué d'une surface sombre qui transforme le rayonnement solaire en chaleur puis le restitue à une colonne d'air qui pénètre ensuite dans le corps de séchage où sont disposées, en couche mince et sur des claies, les produits à sécher. Certains dispositifs, afin de faciliter le stockage de chaleur et d'améliorer le rendement de l'appareil, utilisent des capteurs à eau puis un échangeur eau/air. Un séchoir solaire performant devrait, tout en créant les conditions d'un séchage de qualité, diminuer le temps de séchage, augmenter le rendement global du dispositif, réduire son volume et son poids, élargir sa période d'utilisation, optimiser son coût de réalisation, simplifier son utilisation et son entretien, offrir la robustesse exigée par son usage extérieur et son exposition aux intempéries. Le dispositif selon l'invention répond à ces exigences. En effet : Il créé les conditions d'un séchage de qualité en plaçant les produits dans un courant d'air de température et hygrométrie régulées et en les protégeant de l'humidité et des prédateurs, L'air réchauffé dans le capteur à air pénètre dans le corps de séchage ou les produits sont disposés sur des claies. Le haut du corps est fermé, empêchant l'humidité de pénétrer et créant un siphon qui prévient l'inversion nocturne du flux d'air. Les produits les plus secs se trouvent sur les claies du haut, le jus éventuel des produits frais ne peut les atteindre. Les entrées et sorties sont protégées par un grillage fin qui empêche l'intrusion d'animaux. Il diminue le temps de séchage et élargit la période d'utilisation en assistant la convection naturelle dans le capteur à air, qui réchauffe et abaisse l'humidité relative de l'air, par une ventilation électrique alimentée par un capteur photovoltaïque. Le couplage des deux types de capteurs et leur intégration au corps de séchage permet, outre la diminution des pertes et l'augmentation du rendement global de l'appareil, de réduire son poids et son encombrement. - il améliore le rendement global de l'appareil en augmentant les performances du capteur. L'air frais pénètre dans le capteur à air ou il est réchauffé derrière l'absorbeur. Ce dernier est noirci par un traitement de surface ou un revêtement qui favorise la captation des rayonnements solaires, il est réalisé dans un matériaux favorisant la conduction et les échanges thermiques. Des ailettes, disposées en chicane dans la veine d'air, augmentent la rugosité, la surface d'échange thermique et créé les turbulences propices à cet échange. L'intégration du capteur au corps de séchage permet à la chaleur d'être transmise à l'ensemble des parois de la veine d'air et du corps de séchage. Les conduites de circulation d'air favorisent la réduction des pertes de charge en adoptant des formes aérodynamiques. - il améliore le rendement global de l'appareil en permettant la récupération d'une part de l'énergie captée grâce à la juxtaposition des entrées et sorties d'air. L'air d'entrée se ZD réchauffe au contact d'une paroi métallique derrière laquelle circule l'air chaud de sortie. Une partie de l'air de sortie est ré-aspiré avec l'air d'entrée. - il améliore le rendement global de l'appareil en réduisant les pertes thermiques. L'ensemble absorbeur/corps de séchage est disposé, sur des entretoises isolantes et une isolation, à l'intérieur d'un caisson de protection. Cette double paroi isolée réduit les pertes par convection et par rayonnement. Les entretoises éliminent les pont thermiques avec l'extérieur. - il augmente la résistance de l'appareil aux intempéries, réduit son volume, son poids, simplifie son entretien et son utilisation, en intégrant les divers éléments dans un ensemble autonome et compact qui permet une réalisation dans des matériaux légers et résistants. Selon les modes particuliers de réalisation : - la colonne d'air peut monté et/ou descendre - la colonne d'air peut effectuer un ou deux passages dans le capteur - la colonne d'air peut passer sur, sous, des deux cotés ou au travers de l'absorbeur. - les entrées et sorties d'air peuvent être disposées en partie haute ou basse de l'appareil. - la régulation de la température du flux d'air peut être assuré, dans le cas d'une alimentation direct du ou des ventilateurs par le capteur photovoltaïque, par le couplage proportionnels à l'ensoleillement, du chauffage de l'air et de sa ventilation ou, dans le cas d'une alimentation de la ventilation par l'intermédiaire d'une batterie de stockage électrique, par une régulation électronique, couplée à une mesure de l'humidité et de la température de l'air, qui pilote les ventilateurs et/ou les clapets de reciculation. La disposition des parois peut favoriser la condensation et l'évacuation de l'humidité de l'air de sortie contre la paroi commune avec l'air d'entré, afin de déshumidifier l'air de recirculation. Selon les modes particuliers de réalisation l'appareil peut être muni : d'un dispositif de stockage de chaleur par masse thermique disposé dans la veine de circulation d'air. d'un dispositif d'extraction d'air thermique (cheminé solaire) ou éolien (extracteur rotatif) de réflecteurs disposés de part et d'autre du capteur pour augmenter le rayonnement capté. La figure 1 représente, en coupe et à titre non limitatif, le dispositif de l'invention. En référence à ces dessins, le dispositif comporte un capteur à air (1) à l'intérieur duquel un absorbeur métallique (2) situé derrière une surface transparente (3) transforme le rayonnement solaire en chaleur et le restitue à une colonne d'air d'entrée (4), dont la convection naturelle est favorisé par une ventilation électrique (5) alimentée par un capteur photovoltaïque (6). Le tout est intégrés à un corps de séchage (7) isolé grâce à une double enceinte (26) et (24) à l'intérieur de laquelle l'air chaud de séchage (15) circule au travers de claies (8) destinées à recevoir les produits à sécher. L'air pénètre dans le capteur (1) par l'entrée d'air (9), muni d'un grillage contre les insectes et animaux (10) et d'un filtre à poussière (11). L'air d'entrée (4) s'échauffe préalablement par contact avec la paroi du corps de séchage formant sortie d'air (23) puis passe entre l'absorbeur (2) et la paroi du corp de séchage (16) et s'échauffe à leur contact. Cet échange thermique est favorisé par des ailettes inclinées à 20 (14), disposées en chicanes. La paroi de l'absorbeur (2) offerte aux rayonnements est d'une couleur sombre et mate qui permet de transformer le maximum d'entre eux en chaleur. Elle est disposée sous un vitrage (3), ses parois en contact avec l'extérieur son isolées (12). Une lame d'air stable (13) est ménagée entre la vitre (3) et l'absorbeur (2) pour former isolation et prévenir le dépôt de poussières à l'intérieur du capteur. Le capteur photovoltaïque (6) est disposé sur l'absorbeur (2) et sous le vitrage (3) afin de bénéficier de sa protection. L'air chaud (15), dont le taux d'humidité relative a donc baissé, pénètre ensuite dans le corps de séchage (7), descend au travers des claies (8) et se charge de l'humidité des produits à sécher. Une porte (non représentée) permet la manipulation des claies (8). Le corps de séchage (7) est constitué d'une enceinte (16 et 24) faisant corps avec l'absorbeur (2) qui permet un échange thermique accru avec l'air chaud (15). Cette enceinte intérieure (16 et 24), entourée d'une isolation (12 et 17) est disposé sur des entretoises (25) à l'intérieure d'une enceinte extérieure étanche (26). L'écoulement de l'air de sortie (18) au travers de la sortie d'air (22) et d'un grillage (10) est favorisée par le refroidissement du à son échange avec l'air d'entrée (4) le long de la paroi (23 et 16) et par la ventilation électrique (5) alimenté par le capteur photovoltaïque (6). Un stockage de chaleur dans un fluide caloporteur (non représenté) peut assuré un écrétage des températures et une restitution en fin de journée ou lors de passages nuageux. Une batterie électrique (30) alimentée par le capteur photovoltaïque (6) au travers d'un régulateur de charge et décharge (31) favorise le démarrage et le fonctionnement de la ventilation (5) après le coucher du soleil ou lors de passages nuageux. Une disposition moins onéreuse (non représenté ici) favorise le démarrage de la ventilation en remplaçant la batterie (30) et le régulateur (31) par un condensateur électrochimique. Afin d'améliorer le rendement de l'appareil, une part de l'air chaud de sortie (18) recircule dans l'appareil avec l'air d'entrée (4). Cette recirculation est assuré, dans le cas d'une installation sans stockage électrique, par la forme et la juxtaposition des entrée (9) et sortie (22) d'air, et dans le cas d'une installation disposant d'un stockage (30) et d'une régulation électrique (31), par un dispositif de régulation (29) de la ventilation (5) et/ou des clapets de recirculation (27). L'appareil peut comporter des poignées (non représenté) et reposer sur un ou des pieds (19) et des roulettes (20) qui lui permettent d'être aisément orienté et déplacé. Des auvents (21) diminue le refroidissement de la vitre du capteur à air (3) par le vent. A titre d'exemple non limitatif, pour un usage familiale, la réalisation selon la figure 1 aura des dimensions de l'ordre de 50 cm de large, 40 cm de profondeur et 110 cm de haut. A titre indicatif, une réalisation adoptant ces dimensions permettra le séchage de 8 à 15 Kg de produits frais tout les deux jours d'ensoleillement moyen. Pour des quantités plus importantes ou un usage professionnel, les diverses dispositions et proportions restent valables. A titre d'exemple non limitatif, l'absorbeur pourra être réalisé en aluminium, cuivre, acier, zinc, terre cuite, ardoise ou autre. Le surface transparente pourra être du verre, du polycarbonate ou autre. Le corps, les parois extérieures et les autre éléments constitutifs pourront être en bois, acier, inox, aluminium, fibre de carbone, PVC ou autre. Elles devront respecter les normes alimentaires pour les parties en contacts avec les produits à sécher (claies), celles de résistance à l'humidité pour les parties en contact avec l'air de sortie, aux intempéries pour les surfaces extérieurs et à la températures pour les éléments placés sur ou directement sous l'absorbeur. L'angle du capteur par rapport à l'horizontal, pourra être, en fonction de la latitude et de la période d'utilisation, de 350 à 550. Pour une utilisation d'été et automne en France métropolitaine, nous adopterons l'angle de 45 . REVENDICATIONS 1) Dispositif autonome pour sécher, ventiler ou déshydrater des produits grâce à l'énergie solaire, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur à air (1), qui réchauffe une colonne d'air (4), un capteur photovoltaïque (6), qui alimente une ventilation (5) et une régulation (29), et un corps de séchage (7) ou les produits à sécher sont disposés sur des claies (8), à l'intérieur duquel circule l'air chaud de séchage (15). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le capteur à air (1) est associé à un capteur photovoltaïque (6) destiné à l'alimentation d'une ventilation électrique (5) fi ircu qui favorise et entretient la circulation de la colonne d'air (4) dans le capteur (1) et le corps de séchage (7). 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur à air (1) comporte des ailettes inclinées (14) disposées en chicanes dans la colonne d'air (4), destinées a y rendre l'écoulement turbulent, a augmenter la taille et la rugosité des surfaces d'échange (2 et 16) et a favoriser ainsi le transfert thermique entre l'absorbeur (2) et la colonne d'air (4). 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que le capteur à air (1) est intégré au corps de séchage (7) et lui transfert une partie de son énergie 5) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi conductrice (16 et 23) de part et d'autre de laquelle circulent l'air d'entrée (4) et l'air de sortie (18) favorisant entre eux un échange thermique. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (27) permettant la recirculation d'une partie de l'air de sortie (18) avec l'air d'entrée (4) afin de réutiliser une part de l'énergie captée par le capteur à air (1). 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (28) de mesure de la température et de l'hygrométrie de l'air de séchage (15) couplé à un dispositif (29) de régulation de la ventilation (5) et de clapets de recirculations (27).