Brevet FR2913761A1 — publié le 20080919

DISPOSITIF DE SECHAGE DE PRODUITS A L'ETAT PATEUX, EN PARTICULIER DE BOUES DE STATIONS D'EPURATION. L'invention est relative à un dispositif de séchage de produits à l'état pâteux, contenant de la matière organique, en particulier de boues de stations d'épuration d'eaux résiduaires, urbaines ou industrielles, prévu pour récupérer de l'énergie solaire pour le séchage. Les dispositifs de séchage du genre en question comprennent une enceinte délimitée par une paroi de fond sur laquelle sont étalés les produits à sécher, des parois latérales et un toit, avec au moins une entrée d'air réglable, et au moins un ventilateur pour assurer un renouvellement de l'air dans l'enceinte. De tels dispositifs de séchage, par exemple selon FR -A-2 843 958, permettent d'effectuer le séchage des produits avec une consommation d'énergie réduite grâce à la récupération d'origine solaire. Les dispositifs connus mettent en oeuvre, généralement, des serres de type horticole dont le dimensionnement doit être effectué en tenant compte de la période hivernale, de sorte que les serres occupent une grande surface au sol. Elles présentent un volume important, nécessitant un grand débit d'air de balayage de sorte que le flux de balayage perd en efficacité car il est éloigné de la surface des produits à sécher, du fait de la hauteur relativement importante des serres. En outre, les serres présentent une forte déperdition thermique et une proportion importante de la chaleur accumulée dans la journée est perdue la nuit. De plus, il se produit une condensation sur les parois froides, ce qui n'est pas favorable au séchage. D'une manière générale, la cinétique de séchage est fortement liée aux conditions météorologiques du site. Un inconvénient important des serres réside dans le mauvais séchage des produits lors de la période nocturne et lors de la période hivernale. Dans ces conditions défavorables, il arrive que l'eau contenue dans les boues ne peut être évacuée par la ventilation, et la serre fait alors office de simple lieu de stockage. Il est important de réduire le temps de séchage lors de telles conditions météorologiques défavorables pour limiter les problèmes liés à la gestion des produits pâteux et à la formation d'odeurs. Pour limiter ces inconvénients, certains constructeurs ont proposé des apports calorifiques externes en période hivernale, par exemple par le sol sous forme d'un plancher chauffant, ou par préchauffage de l'air de ventilation. Les calories sont produites par différents procédés classiques, tels que aérothermes, géothermie, ou par récupération d'énergie de l'eau traitée par une station de traitement des eaux usées, ou par récupération d'énergie de l'air chaud extrait de la serre ou de celui extrait d'un local de surpresseurs, ou au travers de pompes à chaleur ou de différents échangeurs. L'invention vise à fournir un dispositif de séchage qui, tout en récupérant de l'énergie solaire, ne présente plus, ou à un degré moindre, les inconvénients rappelés ci-dessus. II est souhaitable en particulier que le dispositif de séchage reste efficace, avec un minimum d'apport calorifique extérieur, lorsque les conditions climatiques ne sont pas favorables, en particulier pendant la période hivernale ou pendant les périodes nocturnes. Selon l'invention, un dispositif de séchage de produits pâteux, contenant de la matière organique, en particulier de boues de stations d'épuration d'eaux résiduaires urbaines ou industrielles, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que l'isolation thermique et l'inertie thermique de l'enceinte sont suffisamment importantes pour que les calories apportées à certains moments de la journée, par l'énergie solaire notamment, soient stockées et restituées avec un certain décalage en période plus froide, en particulier la nuit. Selon l'invention, ce résultat est obtenu si le coefficient k moyen d'isolation (perte de chaleur maximale) de l'ensemble de l'enceinte est inférieur à 2 W/m2. C et si le coefficient d'inertie thermique est supérieur à 400 kg/ m2, ces deux coefficients étant précisés ci-dessous et dans l'exemple ci-après. Le coefficient moyen d'isolation k est calculé en faisant la somme des coefficients k de chaque face de l'enceinte, en tenant compte des ouvertures et des ponts thermiques, divisée par la surface totale. Le coefficient d'inertie thermique est la somme des masses des parois latérales et du plancher, divisée par la surface de l'enceinte L'enceinte peut être enterrée au moins partiellement, ou recouverte de terre. La profondeur à laquelle l'enceinte est enterrée est de préférence au moins égale à 0,4 mètre, de telle sorte que l'isolation soit augmentée, notamment en hiver. Avantageusement, le dispositif comporte au moins un déshumidificateur. Le dispositif comporte, de préférence, des moyens de commande du fonctionnement de la ventilation et de la déshumidification en fonction des conditions climatiques et/ou des conditions internes au dispositif de séchage. Le dispositif peut être équipé d'au moins un système d'avancement des boues. Les parois de l'enceinte autres que le toit peuvent être réalisés en un matériau assurant la double fonction d'inertie thermique et d'isolation thermique. Selon une autre possibilité, les parois de l'enceinte autres que le toit sont constituées d'une couche de matériau à forte inertie thermique, en particulier du béton, et d'une couche d'un matériau isolant thermique. De manière plus générale, on pourra avoir recours à des parois composés de plusieurs matériaux juxtaposés, les uns assurant l'inertie thermique, les autres l'isolation thermique. Les faces internes des parois de l'enceinte autres que le toit sont avantageusement recouvertes d'une peinture foncée, de préférence noire, afin de capter au mieux l'énergie solaire qui traverse le matériau translucide. A l'intérieur de ces parois, on peut avantageusement faire circuler un fluide chaud pour apporter des calories supplémentaires. Le dispositif peut comporter au moins un conduit logé dans les parois pour la circulation du fluide chaud. Le toit de l'enceinte peut se trouver hors du sol et être constitué d'un matériau translucide laissant passer les radiations solaires, tout en ayant un pouvoir isolant thermique. Le matériau translucide est avantageusement constitué par du polycarbonate. Les faces en matériau translucide peuvent être équipées d'une couverture utilisée en période nocturne ou en période froide non ensoleillée pour réduire les déperditions thermiques. Le toit peut être également constitué de plusieurs matériaux translucides, séparés par des lames d'air. L'enceinte peut être complètement enterrée, le toit étant recouvert par le sol et réalisé en un matériau isolant thermique et à forte inertie thermique comme les autres parois de l'enceinte. De préférence, des capteurs d'énergie solaire sont situés à l'extérieur et mis en communication avec l'enceinte pour lui transférer la chaleur captée lorsque les conditions extérieures le permettent. Les capteurs d'énergie solaire peuvent être à circulation d'air et produire de l'air chaud qui est envoyé dans l'enceinte de séchage lorsque la température de cet air chaud est supérieure à une limite déterminée. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : Fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un dispositif de séchage selon l'invention. Fig 2 est une coupe verticale d'une paroi constituée d'un matériau à forte inertie thermique et d'un matériau isolant . Fig. 3 est une coupe verticale, d'un dispositif semblable à celui de Fig.1, partiellement enterré. Fig. 4 est une coupe verticale, à plus grande échelle, d'un dispositif semblable à celui de Fig.1., avec un toit à simple ou double pente. Fig. 5 est une coupe verticale d'une variante de réalisation du 10 dispositif de séchage avec enceinte complètement enterrée. Fig. 6 est un schéma de principe en coupe verticale de capteurs solaires à circulation d'air Fig. 7 est une coupe verticale schématique d'un dispositif de séchage avec capteur solaire. 15 Fig. 8 est une coupe verticale schématique avec un dispositif permettant de faire circuler un fluide chaud dans les parois. En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir un dispositif de séchage D de produits 1 à l'état pâteux contenant de la matière organique, en particulier de boues de stations d'épuration d'eaux résiduaires urbaines ou 20 industrielles. Le dispositif D comprend une enceinte E délimitée par une paroi de fond 2 sur laquelle sont étalés en couche les produits 1 à sécher, des parois latérales 3a, 3b généralement verticales, et un toit 4. Au moins une entrée d'air réglable 5 et au moins un ventilateur 6 sont prévus pour assurer un renouvellement de l'air dans l'enceinte. 25 Les parois 2, 3a, 3b, comme illustré sur Fig. 2, sont constituées d'une couche 3-1 de matériau à forte inertie thermique, notamment du béton, et d'une couche 3-2 d'un matériau isolant therrique. La couche 3-2 de matériau isolant thermique est située contre la couche 3-1 du côté extérieur par rapport à l'enceinte E. 30 Le dispositif de séchage D de Fig. 1 est du type "véranda". Les parois 3a, 3b sont constitués d'un mur de béton de 25 cm d'épaisseur, sur lequel est rapportée une couche d'isolant thermique de 10 cm ; le coefficient k d'isolation thermique d'une telle paroi est de 0.48 W/m2. C. Le plancher 2 est constitué d'une dalle béton de 25 cm d'épaisseur avec isolation thermique sous 35 dalle de 10 cm d'épaisseur ; le coefficient k d'isolation thermique d'une telle paroi est de 0.5 W/m2. C. Les matériaux isolants étant souvent différents sur les parois et sous la dalle plancher, les coefficients k d'isolation thermique peuvent être différents. Les parois 3c et 3d de l'enceinte E parallèles au plan de Fig.1 et situées en avant et en arrière de ce plan sont constituée d'un matériau identique aux parois 3a et 3b, mais présentent deux larges ouvertures ; le coefficient k moyen d'isolation thermique de la surface est alors de 1,2 W/m2. C. Enfin le toit 4 est constitué d'un polycarbonate multicouche ayant un coefficient k de 2,5 W/m2. C. On voit donc que le coefficient k moyen de l'ensemble des surfaces est inférieur à 2 W/m2. C Le ventilateur 6 et l'entrée réglable d'air 5 peuvent être prévus dans ces parois opposées, dans une zone située au-dessus du niveau du sol S. Selon la représentation de Fig. 1 le ventilateur 6 est prévu dans la paroi située en arrière du plan de Fig.1 tandis que l'ouverture réglable d'air est située en avant de ce plan. Dans l'exemple de réalisation de Fig. 1, le toit 4 se trouve hors du sol S et est constitué d'un matériau translucide laissant passer les radiations solaires et arrêtant le rayonnement infrarouge provenant de l'enceinte. Le toit 4 peut être fabriqué en matériau translucide double ou triple épaisseur, avec ou sans lame d'air selon les cas, ce qui permet de capter l'énergie solaire et de la conserver à l'intérieur pour favoriser le séchage des produits 1 en période nocturne ou en période hivernale. Le matériau translucide peut être constitué par du polycarbonate. Le toit 4, selon Fig. 1, est plan, incliné d'un angle a sur l'horizontale et orienté vers le soleil lorsqu'il est midi à l'endroit considéré. Fig.3 montre un dispositif de séchage semblable à celui de Fig.1, mais partiellement enterré. La profondeur à laquelle les parois 3a, 3b sont enterrées dans le sol est d'au moins 0.4 mètre (40 centimètres). Le toit 4 est hors du sol. La paroi 3a est adjacente pratiquement sur toute sa hauteur à un remblai 7. Fig. 4 montre, plus en détail, une réalisation semblable à celle de Fig. 1 dans laquelle est prévu un dispositif 8 pour faire avancer le produit pâteux 1 avec, le cas échéant, un système de scarification tel que celui du brevet FR 2874605. Les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les éléments semblables de Fig. 4 et Fig. 1. Une variante de toit à double pente 4a est schématisée en trait mixte sur Fig. 4. pour favoriser la captation et la conservation de l'énergie solaire, selon les orientations. Le dispositif de séchage est équipé, à l'intérieur de l'enceinte E, d'au moins un déshumidificateur 9 de l'air, et d'une armoire 10 de commande du déshumidificateur 9, du ou des ventilateurs 6 et de l'ouverture de l'entrée d'air réglable 5. Des capteurs (non représentés) de la température extérieure, de la température intérieure de l'enceinte, ainsi que des capteurs (non représentés) de l'hygrométrie de l'air extérieur et de l'air dans l'enceinte sont prévus et reliés à l'armoire de commande 10. Cette armoire 10 constitue un système de contrôle prévu pour faire fonctionner de manière optimisée la ventilation et la déshumidification. En se reportant à Fig. 5, on peut voir le schéma d'une variante Dl de type "tunnel" du dispositif de séchage qui est complètement enterré. Le toit 4b est constitué par une dalle en un matériau isolant thermiquement semblable à celui des parois latérales 3a, 3b et du fond 2. Le toit 4b est recouvert d'une couche de terre 11 ou matière équivalente. La hauteur libre h dans le tunnel El est suffisante pour permettre à un opérateur de se tenir debout. Cette hauteur h est de préférence sensiblement égale ou supérieure à 2 m et le dispositif Dl est enterré sur une profondeur supérieure à h. La largeur I du lit de produits pâteux peut être de l'ordre d'une dizaine de mètres, par exemple 12 m, tandis que la longueur L, suivant une direction orthogonale au plan de Fig. 5, est de plusieurs dizaines de mètres. Des capteurs solaires 12 (Fig. 6 et 7) sont prévus pour assurer une récupération d'énergie solaire et chauffer l'air à l'intérieur du dispositif Dl. Les capteurs 12 sont situés à l'extérieur du dispositif Dl et comportent des passages traversés par une circulation d'air à chauffer à partir du rayonnement solaire. L'air chaud ainsi produit est envoyé dans l'enceinte El. Comme illustré sur Fig. 6, les capteurs 12 sont inclinés d'environ 60 par rapport à l'horizontale et sont tournés vers le soleil à midi. La longueur B des capteurs peut être de l'ordre de 2 m et la distance G entre les capteurs est d'environ 4 à 5 m. Fig. 7 montre un dispositif de séchage D1 du type tunnel semi enterré dont le toit est constitué par une dalle 4b, en matériau isolant thermiquement et opaque, qui n'est pas recouverte par le sol. Au moins un capteur solaire 12 est installé sur le toit 4b et communique avec l'intérieur de l'enceinte El par un conduit 13 pour le passage de l'air de l'enceinte vers le capteur 12 et par un conduit de retour 14 permettant de renvoyer l'air chauffé dans l'enceinte El. Un ventilateur 15 est avantageusement prévu à la sortie du conduit 14 pour accélérer les échanges entre l'enceinte El et le capteur 12. On retrouve au moins un déshumidificateur 9, une armoire de commande 10 pour faire fonctionner les divers appareils, notamment déshumidificateur, ventilateur extracteur 6, ouverture réglable 5 et ventilateur 15, selon les valeurs des températures intérieure et extérieure, et les conditions hygrométriques intérieure et extérieure. Le préchauffage de l'air, notamment pour les réalisations en tunnel enterré ou semi enterré des Fig. 5 et 7, peut être complété ou augmenté par des moyens classiques tels que chaudières à bois, biogaz, gaz, échangeur de chaleur, pompe à chaleur. Dans le cas des réalisations selon Fig. 1, 3 et 4, le toit 4 en matériau translucide peut être avantageusement équipé d'une couverture isolante thermiquement, utilisée en période nocturne pour limiter les déperditions thermiques. Fig.8 montre un dispositif de séchage D comportant, dans ses parois 3a, 3b et dans le plancher 12, un ou plusieurs conduits 16 encastrés permettant de faire circuler un fluide chaud. Le conduit 16 entre à l'horizontale dans la paroi 3a, monte verticalement jusqu'au voisinage du sommet de cette paroi 3a, puis redescend vers le plancher 2 qu'il traverse sensiblement à l'horizontale, pour remonter puis redescendre dans la paroi 3b et sortir à l'horizontale. Les faces internes des parois de l'enceinte autres que le toit sont avantageusement recouvertes d'une peinture foncée, de préférence noire, afin de capter au mieux l'énergie solaire qui traverse le matériau translucide. Le fonctionnement d'un dispositif de séchage selon l'invention résulte des explications qui précèdent. La forte inertie thermique de l'enceinte permet de stocker les calories apportées à certains moments de la journée, par l'énergie solaire ou toute autre énergie fournie à l'enceinte, et de les restituer en période plus froide, en particulier la nuit. La configuration au moins partiellement enterrée du dispositif de séchage permet de bénéficier de l'effet régulateur thermique du sol, permettant de limiter les pertes thermiques en période froide. En outre, de l'énergie solaire est captée grâce à un toit en matériau translucide ou grâce à des capteurs 12. La forte isolation thermique des parois de l'enceinte, et du sol qui les entoure, permet de garder à l'intérieur de l'enceinte la chaleur captée dans des périodes favorables. Le dispositif de séchage de l'invention permet d'obtenir une siccité des produits pâteux 1 supérieure à 70 % tout au long de l'année, tout en réduisant la surface au sol. Le séchage est maîtrisé et le risque de fermentation et de production d'odeurs est réduit. Le volume d'air à évacuer du dispositif est également réduit. A titre d'exemple non limitatif, on considère une enceinte dont les 35 dimensions sont L= 100 m, I = 14 m et h = 4,47 m (pour la paroi 3a), h = 2 m ( pour la paroi 3b) : Calcul du coefficient k moyen : Paroi 3a: k1S1 = 0,48 x 447 = 215 W/ C Paroi 313 : k2S2 = 0,48 x 200 = 96 W/ C Paroi 2 : k3S3 = 0,5 x 1400 = 700 W/ C Paroi 3c : k4S4 = 1,2 x 45 = 54 W/ C Paroi 3d : k5S5 = 1,2 x 45 = 54 W/ C Toit 4 : k6S6 = 2,5 x 1421 = 3553 W/ C k moyen = Somme (kS)/StotaIe= 4672 / 3358 = 1,39 W/m2. C Calcul du coefficient d'inertie (masse volumique du béton : 2300 kg/m3 Paroi 3a : masse = 2300 x 0,25 x 447 = 257025 kg Paroi 3b : masse = 2300 x 0,25 x 200 = 115000 kg Paroi 2 : masse = 2300 x 0,25 x 1400 = 805000 kg Paroi 3c : masse = 2300 x 0,25 x 42 = 24150 kg Paroi 3d : masse = 2300 x 0,25 x 42 = 24150 kg Coefficient d'inertie = Somme (masse)/Splancher = 1225325 / 1400 = 875 kg/rn2 REVENDICATIONS 1. Dispositif de séchage de produits pâteux, contenant de la matière organique, en particulier de boues de stations d'épuration d'eaux résiduaires urbaines ou industrielles, comprenant une enceinte délimitée par une paroi de fond sur laquelle sont étalés les produits à sécher, des parois latérales et un toit, avec au moins une entrée d'air réglable, et au moins un ventilateur pour assurer un renouvellement de l'air dans l'enceinte. caractérisé en ce que l'enceinte (E,E1) a un coefficient d'inertie thermique supérieur à 400 kg/m2 et un coefficient moyen d'isolation thermique inférieur à 2 W/m2. C pour que les calories apportées à certains moments de la journée, par l'énergie solaire notamment, soient stockées et restituées avec un certain décalage en période plus froide, en particulier la nuit. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte est enterrée au moins partiellement, ou recouverte de terre. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la profondeur à laquelle l'enceinte est enterrée, est au' moins égale à 0,4 mètre, de telle sorte que l'isolation soit augmentée, notamment en hiver. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un déshumidificateur (9). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commande (10) du fonctionnement de la ventilation et de la déshumidification en fonction des conditions climatiques et/ou des conditions internes au dispositif de séchage. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est équipé d'au moins un système (8) d'avancement des boues. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois (2,3a,3b, 3c, 3d) de l'enceinte autres que le toit (4) sont réalisés en un matériau assurant la double fonction d'inertie thermique et d'isolation thermique 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les parois (2,3a, 3b, 3c, 3d) de l'enceinte autres que le toit (4) sont constituées d'une couche (3-1) de matériau à forte inertie thermique, en particulier du béton, et d'une couche (3-2) d'un matériau isolant thermique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois (2,3a,3b, 3c, 3d) de l'enceinte autres que le toit (4) sont recouvertes d'une peinture foncée, de préférence noire. 10 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le toit (4) de l'enceinte (E) se trouve hors du sol et est constitué d'un matériau translucide laissant passer les radiations solaires, tout en ayant un pouvoir isolant thermique. 15 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau translucide est constitué par du polycarbonate. 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les faces en matériau translucide sont équipées d'une couverture utilisée en période 20 nocturne pour réduire les déperditions thermiques. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte (El) est complètement enterrée, le toit (4b) étant recouvert par le sol (11) et réalisé en un matériau isolant thermique et à forte inertie 25 thermique comme les autres parois de l'enceinte. 14..Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des capteurs d'énergie solaire (12) sont situés à l'extérieur et mis en communication avec l'enceinte (El) pour lui transférer la 30 chaleur captée lorsque les conditions extérieures le permettent. 15. Dispositif selon la revendication 14,, caractérisé en ce que les capteurs d'énergie solaire (12) sont à circulation d'air et produisent de l'air chaud qui est envoyé dans l'enceinte de séchage lorsque la température de cet air chaud est 35 supérieure à une limite déterminée. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un conduit (16) logé dans les parois (3a, 3b, 3c, 3d) pour la circulation d'un fluide chaud.5