Brevet FR2936792A1 — publié le 20100409

La présente invention concerne un dispositif de dessalement d'eau de mer ou d'eau saumâtre et de purification d'eau douce en utilisant l'énergie solaire. Parmi les différentes méthodes de dessalement (électrodialyse, osmose inverse, distillation...), celle utilisée est la distillation. Elle est aussi utilisée pour la purification de l'eau douce. L'énergie nécessaire à cette distillation est fournie par un système basé sur le principe du moteur de Stirling de type gamma associé à un alternateur qui alimente une résistance chauffante (figure 1). La distillation accélère le cycle naturel de l'eau. L'eau est chauffée, elle s'évapore, les impuretés et le sel restent au fond du récipient. La vapeur d'eau 10 est refroidie et redevient liquide. L'eau ainsi obtenue est pure. Le principe du moteur de Stirling utilise les propriétés thermodynamiques des gaz comme l'air, l'hydrogène ou l'hélium. En chauffant le gaz subit une détente, en refroidissant une compression. Dans un cylindre de part et d'autre d'un piston (piston déplaceur), nous allons considérer une zone chaude et une 15 zone froide qui vont provoquées la détente et la compression du gaz. Un deuxième piston (piston moteur) récupère l'énergie mécanique générée. Les deux pistons sont associés par un vilebrequin qui entraîne un alternateur fournissant le courant électrique nécessaire au fonctionnement de la résistance chauffante. La zone chaude est alimentée par le rayonnement du soleil amplifié 20 par des lentilles de Fresnel et par la température de l'eau distillée. La zone froide est alimentée par la température de l'eau à distiller et par la température de l'air ambiant. Le cycle moteur comporte quatre phases : le chauffage (figure 2), la détente (figure 3), le refroidissement (figure 4) et la compression (figures). Sous 25 l'influence de la source chaude, le gaz se détend et le piston déplaceur est poussé vers sa position basse. Le piston moteur récupère l'énergie mécanique et se déplace à son tour. Soumis au phénomène d'inertie, le piston déplaceur est repoussé. Sous l'influence de la source froide, le gaz est refroidi et le piston déplaceur rejoint sa position haute. Le cycle reprend. Le piston déplaceur n'est 30 pas étanche à sa périphérie, ce qui permet l'échange de gaz entre la zone froide et la zone chaude. L'énergie mécanique récupérée par le piston moteur est transmise à un vilebrequin entraînant un alternateur qui alimente à son tour une résistance chauffante. Les dessins annexés illustrent l'invention. 35 La figure 1 représente le système dans sa totalité. - Repère 1 : arrivée d'eau à distiller - Repère 2 : sortie d'eau distillée - Repère 3 : l'alternateur - Repère 4 : deux surpresseurs 40 - Repère 5 : la résistance chauffante - Repère 6 : l'enceinte de vaporisation - Repère 7 : vidange des saumures et impuretés - Repère 8 : l'inverseur jour/nuit - Repère 9 : le volant d'inertie démarreur. 45 Les figures 2, 3, 4 et 5 représentent un cylindre en fonctionnement normal dans les différentes phases. Figure 2: phase chauffage. Figure 3 : phase détente. Figure 4 : phase refroidissement. Figure 5 : phase compression. La figure 6 représente un cylindre en mode éclaté. - Repère 1 : la structure support du cylindre 50 - Repère 2 : le corps du cylindre du piston déplaceur - Repère 3 : le circuit hydraulique mixte eau froide/eau chaude - Repère 4 : l'anneau isolant la zone chaude de zone froide - Repère 5 : le circuit hydraulique eau distillée chaude (distillée) - Repère 6 : la lentille de Fresnel convergente 55 - Repère 7 : les anneaux support et fixateur de la lentille de Fresnel - Repère 8 : le piston déplaceur - Repère 9 : le corps du cylindre moteur - Repère 10 : le piston moteur - Repère 11 : la bielle du piston moteur 60 - Repère 12 : roulement - Repère 13 : le vilebrequin - Repère 14 : bielle du piston déplaceur - Repère 15 : volant d'inertie, démarreur - Repère 16 : plaquette de fixation de bielle sur le vilebrequin. 65 Le rendement d'un tel système est soumis à plusieurs facteurs. En fonction du débit désiré il faut agir sur : - le nombre de cylindres. Mettre quatre cylindres en ligne paraît offrir un bon compromis rendement / complexité. la nature du gaz. II faut un gaz léger comme l'air, l'hydrogène ou 70 l'hélium. Pour son prix et sa facilité d'exploitation, l'air est la solution idéale. Pour un meilleur rendement, il faut utiliser de l'hydrogène. - la pression dans les cylindres. En augmentant la pression dans les cylindres, on augmentera le rendement. Pour des raisons de simplicité technique, il ne faut pas utiliser fortes pressions qui engendreraient des 75 contraintes mécaniques importantes. la cylindrée du moteur. - la différence de température entre la zone froide et la zone chaude. Il faut isoler thermiquement les deux zones. Les avantages d'un tel moteur sont : 80 - sa propreté. Ce moteur ne nécessite pas de combustibles. - sa durée de vie. La simplicité technique permet d'obtenir des moteurs très fiables nécessitant très peu d'entretien. - son silence de fonctionnement. II n'y a pas d'explosion. Le maître mot pour la fabrication de ce moteur est la simplicité (figure 6). 85 Le cylindre est fabriqué dans un matériau isotherme (repère 2). Dans le corps principal sont glissées les différentes parties. Les circuits d'eau sont emboîtés dans le bas du cylindre (repère 3), ensuite la séparation des zones froides et chaudes (repère 4). Le deuxième circuit d'eau vient au dessus (repère 5). On glisse le piston déplaceur (repère 8). On pose la lentille de Fresnel (repère 6) et 90 on solidarise le tout avec un anneau supérieur (repère 7). Les bielles sont en deux parties. Du coté piston, elles en sont solidaires et fixes (repères 11 et 14). Du coté vilebrequin, elle sont fixées par un roulement (repère 12). Pour accompagner la rotation du piston, ces deux parties sont reliées par un autre roulement. Pour éviter un usinage coûteux le vilebrequin (repère 13) est composé 95 de tiges reliées par des plaquettes (repère 16) qui reçoivent la fixation de la bielle. La résistance chauffante est externe et isolée thermiquement vers l'extérieur afin d'éviter son encrassement et diminuer l'entretien. Le volant d'inertie sert aussi au démarrage (repère 15). Le support de l'ensemble est réalisé en alliage léger (repère 1). 100 Les caractéristiques techniques propres à l'invention résident dans l'origine des sources froides et chaudes, ainsi que dans la conception du moteur. Les sources chaudes sont d'une part l'énergie solaire amplifiée par des lentilles de Fresnel, et d'autre part la température de l'eau distillée. L'eau distillée est refroidit dans un circuit hydraulique qui récupère l'énergie calorifique pour 105 alimenter la zone chaude. Les sources froides sont la température de l'eau à distiller, ainsi que la température de l'air ambiant. Les circuits hydrauliques sont parties intégrantes du cylindre. En fonctionnement normal, pendant une période d'ensoleillement, la 110 source chaude est alimentée par les rayons du soleil et l'eau distillée. L'eau à distiller et la température de l'air ambiant alimentent la source froide. Le moteur proposé fonctionne à une faible différence de température entre la zone froide et la zone chaude. Quand la température de la source chaude (de nuit par exemple) devient inférieure à la température de l'eau à distiller, les zones 115 froide et chaude s'inversent. Le moteur continue à tourner en changeant de sens de rotation. Il faut à ce moment là, réorienter (figure 1 repère 9) le circuit d'eau distillée vers la nouvelle zone chaude alimentée par l'eau à distiller. Les circuits d'eau à distiller et d'eau distillée font partie intégrante du cylindre. Ainsi la distillation peut s'effectuer même de nuit. La différence de température entre les 120 deux zones peut être minime. La durée de non fonctionnement du système reste à étudier et permettra la vidange du sel et des impuretés. Destinée à dessaler de l'eau de mer ou des eaux saumâtres, ainsi qu'à purifier de l'eau douce, l'invention est indiquée pour des petites et moyennes productions d'eau. Les endroits isolés, les îles, à bord d'une embarcation, et 125 même au bord d'un fleuve où l'au n'est pas potable sont les endroits visés. L'application de cette invention serait la production d'eau potable pour les populations et les animaux, mais aussi l'irrigation des cultures. REVENDICATIONS1) Dispositif associant un moteur de type Stirling à un système de distillation d'eau 2) Dispositif utilisant un circuit d'eau à distiller comme source froide pour le fonctionnement du moteur. 3) Dispositif utilisant un circuit d'eau distillée comme source chaude pour le fonctionnement du moteur. 4) Dispositif réorientant le circuit d'eau distillée pour l'inversion des zones froide et chaude 5) Dispositif intégrant les circuits d'eau distillée et à distiller dans le cylindre. 6) Dispositif isolant thermiquement les zones froide et chaude. 7) Conception innovante du moteur