Brevet FR2853895A1 — publié le 20041022

-t 1. Préambule. Pour fournir l'eau potable dans des régions arides chaudes, on propose un distillateur d'eau selve associé à des panneaux solaires, de construction économique. Le distillateur pourrait être utilisé, au dessous de 1000, en récupération de puissances thermiques autrement perdues. Les distillateurs sont caractérisés par le rendement brut de distillation, rapport de la chaleur de C vaporisation de l'eau douce produite, soit environ 0,7 kWhlkg, à la chaleur fournie. Des panneaux solaires plans, inclinés dans la direction favorable, donnent en région aride environ 5 kWh par jour et mètre carré, jusqu'à une température de 700 environ. Les distillateurs les plus simples, à vitre inclinée au dessus d'un bac d'eau salée, produisent environ 1 litre d'eau douce par jour et mètre carré, avec un rendement de l'ordre de 0,14. Dans des distillateurs plus élaborés, de l'eau chaude se refroidit avec o évaporation et la vapeur diffuse vers une surface de condensation, refroidie par un circuit d'eau salée, ainsi préchauffée avant chauffage supplémentaire et passage à l'évaporateur. Le flux de vapeur étant d'autant plus intense que la pression partielle d'air est plus basse, on fait se succéder de nombreux étages dégazés, à pressions décroissantes avec la température. En utilisant des combustibles fossiles, la température atteint 130" environ et le rendement 20. Dans chaque étage, il ne semble pas qu'on ait If visé un échange à contre-courants permettant l'homogénéisation des différences de température, pour un rendement maximal. Les étages sont constitués de récipients métalliques avec des collecteurs intqrnes et sont reliés par des canalisations. L'auteur a déjà proposé des distillateurs à pression atmosphérique comportant en alternance des surfaces verticales dévaporation et de condensation, dont le faible écart doit permettre d'une part une gO diffusion de vapeur aussi intense que possible, d'autre part l'établissement d'un régime de température proche du contre-courant parfait. Ceci permettrait J'utilisation de matériaux à bas prix (tissus pour l'évaporation et plaques alvéolaires en polypropylène pour la condensation) compensant économiquement la faible diffusion de la vapeur en présence d'air. Ces distillateurs simples pourraient surtout être intéressants pour des petites installations. Les cales entre les surfaces ont été prévues zs verticales. Elles ne doivent pas donner lieu à des mélanges entre les écoulements très proches de l'eau salée et de l'eau douce coulant en gouttes d'une épaisseur de l'ordre de 2 mm sur les plaques de polypropylène. On vise ici à conserver une réalisation simple et des matériaux à bas prix mais en organisant, sur la hauteur des plaques et tissus, des étages multiples de pression pour intensifier les échanges et la -30 production d'eau douce, sans nécessiter de collecteurs entre les étages. Le distillateur pourra fpeçtionner sans appliquer de différences de pression, mais avec un rendement moindre. 2. Ipvention. Selon la présente invention, considérant un distillateur à surfaces verticales rapprochées, alternativement des tissus d'évaporation (2) et des plaques de condensation (1), on crée des étages de 3 5úpregsion multiples en intercalant, dans la hauteur, des réglettes (20) à faible pente qui: - par leur résistance en compression, permettent l'appui mutuel des surfaces et le maintien de leurs écarts, malgré l'application de la pression atmosphérique extérieure (multipliée sur l'appui par le rapport de la surface totale à la surface des réglettes), - collées contre les plaques de condensation avec une légère pente et munies d'une lèvre supérieure 40 de Réparation (21), collectent vers un bord l'eau douce condensée sur l'étage supérieur, - appuyées contre le tissu d'évaporation en intercalant un grillage fin (22), permettent malgré la pression d'appui l'écoulement de l'eau salée, qui s'effectue avec une pression motrice relativement forte entre deux étages et entraîne de l'air résiduel. A titre d'ordre de grandeur, les écarts entre plaques seraient de l'ordre de 3 à 4 mm et les - réglettes, d'une hauteur d'appui de 6mm, seraient disposées tous les 40 mm, sur des hauteurs totales de l'ordre de 2m, donc avec un nombre d'étages de 50 procurant un excellent rendement. Les plaques de condensation (1) en polypropylène doivent, contre les réglettes, supporter la pression d'écrasement. 3. Pe$cription. La description s'appuie sur les Figures suivantes: /a Fig 1. Coupe à échelle amplifiée, avec collecteurs en parties supérieure et inférieure, Fig 2. Coupe à échelle amplifiée sur une bande de rive, Fig 3. Elévation pour la partie supérieure, Fi9 4. Schéma d'installation avec distillateur et panneau solaire, Fig 5. Coupe d'un panneau solaire, ft Fiq 6. Graphique du flux thermique calculé dans un étage selon les températures et le dégazage. Les plaques alvéolaires de polypropylène extrudé 1 et 1' sont disposées verticalement, leurs canaux parcourus par de l'eau salée introduite "froide" en bas et chauffée par la condensation de la vapeur sur les parois externes, avant de recevoir un supplément extérieur de chauffage. Ces plaques alternent avec des rectangles 2 en tissu perméable sur lesquels s'écoule l'eau salée "chaude" introduite -o en haut et s'évaporant en partie dans la descente. L'ensemble parallélépipédique sera dénommé "paquet". Selon les Figures là 3, la collecte en haut et en bas des plaques 1 s'effectue dans des boites à eau 3 et 3' coiffant l'ensemble du paquet de plaques par leurs jupes 4 et 4'. Ces boites sont réalisée en unp matière relativement souple telle qu'un caoutchouc armé, avec un fond relativement épais ou L renforcé d'une tôle pour supporter la pression extérieure mais des jupes plus minces, qui enveloppent le pourtour supérieur du paquet de plaques. Ceci permet de s'accommoder de faibles variations de l'épaisseur globale du paquet, soumis à des différences variables de pression. Les rectangles 2 en tissu sont tendus verticalement entre leurs collecteurs 6 en haut et 6' en bas, constitués chacun d'une feuille 8, 8' en toile étanche soudable, repliée en U sur le bord de tissu et 5û cousue. Les serrages des coutures 7, 7' permettent en haut un certain rapport pression-débit, et en bas une aspiration efficace de l'eau salée résiduelle dite saumure, accompagnée d'air résiduel. Le collecteur 6' en bas, en dépression par rapport à l'étage qui le surmonte, est maintenu en forme par une inclusion rigide, par exemple une barre 9 en plaque alvéolaire dont les âmes ont été percées de trous. Les collecteurs 6, 6' se terminent à une extrémité latérale par des connexions étanches à des 3D tubes souples tels que 10, 10' qui aboutissent, après un court trajet destiné à permettre les débattements dus aux variations de pression, à des collecteurs généraux 11 en haut et 1l' en bas qui sont des tubes à trous, à faibles pertes de charge. Ces rectangles 2 sont tendus horizontalement vers les bords verticaux du paquet par serrage collé entre des règles de rive 11 et 11'. Le tissu est retourné en extrémité sur un mince jonc 12 en 4 butée contre ces règles qui portent des reliefs externes d'appui contre les bords des plaques. Pour empêcher le glissement vers le bas des collecteurs 6, ceux-ci contiennent des joncs 15 de sectiqn rectangulaire qui, mis en travers, s'appuient sur des plaques 16, 16' collées de part et d'autre du sommet des plaques 1 et sur lesquelles s'appuient les collecteurs 6. En leurs extrémités, ces plqque> constituent des butées aux règles de rive 11, 1l' et contribuent à recevoir l'appui des boites à eau 3,3'. Un échange thermique entre les collecteurs et les plaques étant défavorable, cellesci doivent ètre relativement isolantes. On utilise une matière plastique suffisamment résistante, par exemple en S polypropylène plein, la perte thermique étant alors admissible. Sur les bords du paquet, du côté des tubes 10, 10' traversants en bout des collecteurs 6, 6', les plaques 16, 16' portent des creux destinés à ne pas écraser ces tubes, et des plaquettes supplémentaires collées pour boucher l'orifice subsistant. De l'autre côté, l'orifice entre ces plaques est bouché par des plaquettes collées 18. Chaque réglette quasi-horizontale entre étages, notée 20, est constituée: Wo - d'une lanière 20, en matériau relativement isolant, par exemple une mousse dense plastique, - d'une lamelle mince 21 en matière plastique débordant vers le haut pour constituer au dessus de la lanière un canal d'écoulement de l'eau condensée, - d'une lamelle mince en grillage de plastique 22 pour permettre l'écoulement de l'eau et d'une certaine quantité d'air, malgré la compression des réglettes sur le tissu. La maille de grillage est choisie pour î assurer une perte de charge répartissant convenablement les pressions sur l'ensemble des étages Les réglettes sont collées sur les plaques 1, 1' avec une légère pente, pour que s'écoule vers un côté l'eau douce collectée. De ce côté, contre les règles de rive 11, 1l', se trouvent des tubes 25 de descente avec des orifices de petit diamètre en face des réglettes. Ces tubes sont notamment constitués par découpe dans une plaque alvéolaire. Ils aboutissent en bas de manière étanche à des SD tubes 26 descendant sous le distillateur sur une hauteur suffisante pour que les récipients 27 de réception de l'eau douce puissent être ouverts à la pression atmosphérique. L'eau salée est prélevée par exemple en mer par une pompe 30 et, par l'intermédiaire d'un filtre 31, est injectée dans la boite à eau 3' pour circuler de bas en haut dans les plaques. Elle aboutit dans la boite 3 puis passe dans les plaques 50 du panneau solaire avant de revenir au collecteur haut 11 et 2S de s'écouler sur les tissus. Elle est alors reprise par les collecteurs 6' et le collecteur général 1l' sous l'effet de l'aspiration par la pompe 40. La pompe 40 extrait à la fois l'eau salée ("saumure") arrivant en bas des tissus 2 et de l'air qui était dissous dans l'eau d'entrée ou provient de fuites. La pression totale dans les étages entre les réglettes 20 diminue ainsi vers le bas comme la pression de vapeur, à mesure que l'eau salée se 4 refroidit. La saumure et l'air extraits passent dans un vase de décantation 34 o s'établit un niveau libre d'eau sous une atmosphère d'air à faible pression, puis à la pompe à eau 40. Un flotteur dans le vase met en action une pompe d'extraction d'air 36 ou un éjecteur à pression d'eau pour maintenir le niveau entre deux limites. Sur les deux parois du paquet correspondant aux règles de rive 11, 1l' sont étendues des 30 feuilles étanches souples telles que 38 pour parfaire l'étanchéité. La pression atmosphérique cause sur le paquet de plaques une compression mécanique générale, supportée en hauteur et en largeur par les plaques alvéolaires et en épaisseur par les réglettes entre étages et les zones correspondantes en écrasement dans les plaques. Les plaques alvéolaire doivent présenter une résistance suffisante. Selon un brevet précédent de l'auteur, les panneaux solaires sont en plaques alvéolaires noires (D 50 avec des collecteurs en toile souple dont le diamètre peut être suffisant pour des panneaux de grande largeur. Les plaques sont posées sur des banquettes en sol sableux convenablement inclinées, et isolées vers le haut par une couche d'air 51 sous une feuille transparente 52 posée sur cales et grillages, et lestée. Un échelon de distillation, avec son distillateur et ses panneaux solaires, fournissant de l'eau douce et une eau salée plus concentrée, peut fonctionner isolément mais la production d'eau douce est 5s alors limitée à une faible fraction du débit d'eau salée, par exemple 1/15 pour une évolution sur 400. Pour limiter le débit prélevé en mer, on peut conduire la saumure sortant de la pompe 40 vers d'autres échelons de distillation ou encore mélanger à l'eau d'appoint une partie de la saumure, alors avec une certaine perte thermodynamique. L'eau salée très concentrée peut être envoyée à un marais salant. Pour faciliter le dégazage, on peut distiller sur un intervalle de température plus faible, admettant ainsi {c une température de sortie plus élevée, mais alors, pour limiter la chaleur demandée aux panneaux solaires, on préchauffe la première eau entrante dans un échangeur à contre-courants, à partir de la dernière eau sortante. Cet échangeur peut être construit en utilisant des plaques alvéolaires. 4., Calculs. Dans l'échange horizontal de chaleur, la chute de température entre eau descendante dans le l.f tissu et eau montante dans les canaux est la somme de trois termes: - environ 10 pour la différence entre eau de mer et eau douce de la pression de vapeur saturante (pression osmotique) selon la température, terme qui s'accroît si la salinité augmente, dans le cap de plusieurs échelons. - la chute par conduction dans les couches d'eau et dans la paroi de condensation, z proportionnelle au flux thermique et calculée en fonction des épaisseurs et des conductions, - la chute en diffusion air plus vapeur, en situation laminaire du fait de la faible épaisseur, avec proportionnalité au flux thermique, et calculée en fonction de l'écart entre les surfaces d'échange et des pressions partielles de vapeur et d'air, par des formules connues ( Fick, Schirmer). La somme des débits descendants d'eau salée et d'eau douce est égale au débit montant zr d'eau. Le rendement brut de distillation est égal à la variation de température sur la hauteur, divisée par la chute de température horizontale. Le rendement global tiendra compte des énergies consommées pour les pompages d'eau et pour les auxiliaires. Un programme de calcul fournit le flux thermique dans un étage à contrecourants d'épaisseur "a" pour les températures aux parois ( "ta" et "tb' sur tissu en haut et en bas de l'étage, différence "dt" 36 entre les eaux descendante et montante) et la pression totale en air plus vapeur, exprimée comme une pression de vapeur pour une température "ts" de saturation plus élevée. La valeur ts-ta est ainsi un repère de dégazage. On constate que les flux thermiques varient peu selon le niveau de température, dans une plage 30 -70 par exemple, mais surtout comme les différences de température, ce qui permet de, calculer le distillateur pour un seul étage type, avec la condition d'assurer sur la hauteur le dégazage ainsi fixé. La chute de température par diffusion est réduite par de faibles valeurs de l'écart "a" entre tissu et plaque (léger avantage pour a=3mm, par rapport à a=4mm), de faibles valeurs de ta-tb donc des étages nombreux, et de faibles valeurs pour ts-ta. Pour l'écart a= 3,5 mm, une température de référence ta=500, et dt=40 (30 pour conduction et diffusion, les flux variant comme dt-1), la Figure 7 5ro donne les flux calculés en fonction de ts-ta et de ta-tb. Sur la Figure 7 est marqué un point correspondant à ts-ta= 10 et tatb=20, donnant un flux de 1086 W/m2 condensant 0,45 g/sm2. Les calculs ont également concerné les pertes de charge apparaissant dans les circuits d'eau, notamment pour la prise d'eau en mer et pour relever les hauteurs de ruissellement dans le distillateur. Le débit de prise d'eau est réduit par le recyclage partiel évoqué. On estime que l'énergie de pompage et de dégazage sera de 0,5 à 1 kWh par m3 d'eau douce produite. 5. Performances. On se donne par exemple une variation de température de 40 , pour l'eau salée chauffée de 200 à 600 dans le condenseur, puis portée à 640 dans les panneaux solaires. Le rendement de distillation est alors de 40/4=10- Le distillateur prévu comporte en alternance des tissus d'épaisseur 1 mm et des plaques d'épaisseur 2 mm, séparés par des espaces de 3,5 mm, ce qui donne 2 surfaces 40 d'échange pour 10 mm, ou 200 m2 par m3. Pour le flux supposé de 1086 W/m2 on obtient donc 90 g/s par m3. Supposant une insolation efficace de 8 heures par jour ou 28800 secondes, ceci correspond à environ 2500 kg d'eau par jour et par m3. La chaleur solaire utilisée est 0,7 x 2500 /10 = 175 kWh par jour ce qui correspond à 35 m2 de panneaux solaires pour le distillateur de 1 m3. Pour cette production de 2500 kg par jour, on utilise donc 135 m2 de plaque alvéolaire d'une masse de l'ordre de 0,45 kg/m2 /S9 soit 61 kg. Approximativement, avec les autres éléments, les matériaux représentent environ 150 kg de matière plastique usuelle. Dans un tel appareil, la production d'eau est proportionnelle au produit de la surface de captage et de la surface des plaques d'échange dans le distillateur. Pour des prix donnés au mètre carré de captage et de distillation, l'optimum économique est obtenu en égalant les prix des deux fonctions. il a.j paraît clair que vis-à-vis de l'exemple choisi, avec 100 m2 de plaques d'échange plus les tissus, et 35 m2 de panneaux solaires dont la construction est très simple, on aura avantage à augmenter relativement la surface des panneaux en diminuant le rendement. L'intérêt d'un stockage d'eau chaude pour le fonctionnement nocturne du distillateur sera évalué. Des évaluations sur les prix des matériaux utilisés et sur la mise en oeuvre, artisanale ou industrielle, montrent que l'investissement peut être inférieur à ceux usuellement consentis pour la production d'eau douce. L'énergie mécanique requise est inférieure à celle des autres procédés, qui requièrent en général plus de 3 kWh/m3, et l'énergie solaire est gratuite. Revepdications 1. Distillateur d'eau salée comportant un ensemble de surfaces rectangulaires verticales parallèles, constituées en alternance de tissus (2) sur lesquels descend de l'eau salée fournie chaude en haut, et de plaques dites alvéolaires (1) intégrant des conduits verticaux dans lesquels monte de l'eau salée introduite froide en bas et, reprise en haut, recevant un supplément de chaleur avant d'être acheminée au e sommet des tissus, les espaces intermédiaires donnant ainsi lieu à un transfert de vapeur et à une condensation d'eau douce sur les plaques alvéolaires, caractérisé en ce que ces espaces, latéralement fermes par des bordures verticales, contiennent des réglettes (20) à faible pente collées contre les plaques alvéolaires et dont le relief supérieur constitue un canal d'écoulement de l'eau condensée vers au rapins une des bordures. A10 2. Distillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les réglettffes (20) sont appuyées contre les tissus (2) par l'intermédiaire d'une couche (22) comportant des passages verticaux. 3. Distillateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tissus (2) péntrent dans les collecteurs horizontaux d'eau salée en haut (6) et en bas (6') formés d'une toile étanche soudable repliée et cousue de manière lache sur les tissus, le collecteur bas soumis à aspiration 45' étant garni intérieurement d'une structure (9) de maintien contre l'écrasement et chaque collecteur étant raccordé à un collecteur générai, d'alimentation (34) en haut ou d'évacuation (33) en bas. 4. Distillateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques (1) aboutissent en haut et en bas à des boites à eau. 5. Distillateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mouvements,0 d'eau sont induits par au moins une pompe (50) placée en aspiration sur les collecteurs bas des tissus et collectent ainsi à la fois de l'air et de l'eau, créant dans les étages entre les réglettes (20) une pression décr9issant vers le bas en fonction des températures.