Brevet FR2950338A1 — publié le 20110325

Un distillateur, notamment pour la production d'eau douce à partir d'une eau salée, comporte un conduit, dans lequel la solution entrante est chauffée de X°C par condensation de vapeur sur ses parois, un réchauffeur ajoutant un chauffage de Y°C, et un contre-courant de la solution chaude émettant la vapeur le long du conduit. On utilise habituellement des séries d'étages étanches en métal d'où l'air est éliminé, en progression de température et de pression de vapeur, contenant chacun un élément du conduit et un bac au dessous pour le contre-courant. L'eau douce condensée sous le conduit, acheminée vers l'étage inférieur, contribue par conduction à chauffer le conduit. Dans un distillateur solaire sans concentration optique, X vaut par exemple 50°C. On peut 10 définir un rendement calorique, rapport de la chaleur obtenue pour l'évaporation à la chaleur fournie, valant donc X/Y= 6 pour Y=8,33°C. La puissance fournie par la vapeur sur le débit entrant S, soit S C X avec C=4,18 kJ/kg°C, est égale à D L, avec le débit d'eau douce D et la chaleur d'évaporation L=2400 kJ/kg. Une "efficacité", rapport de D au débit S en évaporation, serait eff= D/S = X C /L = l X/574 soit eff = 1/11,5 pour X=50°. Cette efficacité est faible, les débits à puiser et rejeter en mer sont importants et l'effluent est peu sursalé, ce qui incite à le refroidir et le recycler. Les distillateurs connus chauffés par combustion fonctionnent avec des écarts X plus élevés, de l'ordre de 130°, d'où une efficacité améliorée mais d'importants débits doivent encore être pompés. 20 Pour porter l'efficacité par exemple à 1/2 ( débits égaux d'eau sursalée rejetée et d'eau douce produite), un cycle à air humide a été proposé : un échangeur vertical à contre-courant reçoit d'un côté de l'eau de mer se chauffant en montant, de l'autre de l'air humide condensant l'eau douce sur la paroi. Au sommet, l'eau de mer reçoit un supplément de chaleur puis descend dans une colonne poreuse conduisant un flux 25' ascendant d'air, qui arrive humide et chaud au sommet de l'échangeur. A des hauteurs intermédiaires, de l'air humide sort de la colonne vers l'échangeur, accroissant le débit d'air en partie basse de l'échangeur où la teneur de l'air en vapeur est faible, pour un meilleur échange thermique. L'air ajoutant une capacité thermique dans l'échange à contre-courant, le débit d'eau de mer peut être réduit par rapport à la quantité vaporisée, 30 d'où une efficacité accrue. La pression reste sensiblement atmosphérique. La présente invention concerne (Fig 1) un distillateur devant procurer une excellente efficacité, sans intervention d'air. Selon cette invention, un distillateur comporte : - un conduit ascendant 1 dans lequel un débit S1 d'eau salée s'échauffe par 3J/ condensation de vapeur sur sa paroi, fournissant l'eau douce D qui s'écoule, - un réchauffeur notamment solaire pour une chauffe supplémentaire de SI, - prélevés sur le débit SI chaud, d'une part un écoulement descendant S2 sur la paroi mouillable d'un conduit descendant 2 d'où il s'évapore en partie, fournissant la vapeur et laissant à la base un débit SS d'eau sursalée, d'autre part dans ce conduit fermé 2 le .r débit S3 restant d'eau salée, chauffant S2 par conduction à travers la paroi. Dans les espaces entre les conduits 1 et 2, les écoulements vers le bas de D, S2 et vapeur sont freinés par des obstacles et l'air est éliminé par l'aspiration à la base des débits SS et D, d'où une baisse de pression et de température. A chaque niveau, le débit montant S1 en chauffage est égal à la somme des débits S2,S3 et D en refroidissement, IO ce qui assure dans le contre-courant une différence de température égale à celle Y fournie par le chauffage supplémentaire. L'efficacité définie plus haut vaut alors D/S2. On peut, même en chauffage solaire, obtenir une grande efficacité, par exemple 2/3 (avec SS=D/2); et une économie sur le transfert et la filtration de l'eau de mer. -1 Cette séparation du débit total SI en S2 et S3 pour améliorer l'efficacité n'était pas prévue pour le distillateur décrit par le Brevet de l'auteur BF-0304802: le plein débit d'eau salée chauffée descendait en s'évaporant sur des plaques minces. Le conduit ascendant utilisait des plaques alvéolaires à section en échelle, en polypropylène ou 2 analogue, matériau de faible prix, résistant aux corrosions et utilisable en chauffage solaire dans sa limite de température pour une longue utilisation sous contrainte modérée, soit environ 75°C. Dans le distillateur selon l'invention, aux plaques alvéolaires verticales 1 pour les débits S1 en interne et D en externe sont ajoutées en alternance à faible distance des 25 plaques analogues 2 pour les débit S3 en interne et S2 en externe, remplaçant les plaques minces d'évaporation. Les plaques par exemple en polypropylène forment des paquets parallélépipédiques. On joint les Figures suivantes : Fig 1- Schéma général de I"installation, Fig 2- Coupe verticale pour deux plaques 1 du distillateur de part et d'autre d'une plaque 2, chaque plaque portant en haut et en bas ses collecteurs à connecter à des collecteurs généraux pour l'installation, Fig 3- Vue en plan d'un paquet de plaques, montrant l'orientation des collecteurs généraux au dessus. 51 Les Figures montrent les plaques 1 et 2, la mer 3, l'espace 4 entre plaques pour la vapeur, une pompe de refoulement 5 avec son filtre pour amener le débit SI à un collecteur d'entrée 6 en bas des plaques 1, un collecteur 7 au dessus et une canalisation conduisant Si ainsi préchauffé vers un réchauffeur solaire 8. A la sortie du réchauffeur, SI est amené à un collecteur d'entrée 10 des plaques 2, distribuant sur leur surface un débit S2 prélevé et en interne le débit restant S3. Les collecteurs de sortie en bas de plaque sont 11 pour S3 et, décalés vers le bas, 12 pour l'eau douce D et 13 pour le débit sursalé SS qui reste de S2. Les collecteurs généraux et des pompes aspirantes mènent D à un réservoir d'utilisation 15 et SS à un marais salant ou une tuyauterie vers la mer. Le débit S3 garde la teneur initiale en sel et peut être accumulé dans un réservoir 16, puis refroidi pendant la nuit dans un bassin ouvert à fond noir fonctionnant en évaporation (on perd 5° en évaporant 0,9% du débit) et en radiation vers le ciel (pour la surface du réchauffeur 8 on 1Q perd environ 20% de l'échauffement obtenu de jour), puis recyclé. Le rendement calorique est peu modifié. Les collecteurs en haut et en bas des plaques sont constitués de plaques verticales parallèles de faible hauteur, soit minces 22 entre 6 et 11, isolantes 23 entre 7 et 10, ou alvéolaires 30 et 31 comme vu plus loin, et de règles horizontales telles que 24 (,5 assurant les épaisseurs requises et l'étanchéité. Les collecteurs généraux sont formés par des reliefs en creux dans des plaques 26 au dessus et 27 au dessous, le tout fixé par collage de manière étanche. A la base de chaque plaque 2, les deux parois 30 du collecteur 11 de sortie pour S3 sont des conduits alvéolaires qui captent au dessus l'eau sursalée SS coulant sur la plaque et, de part et d'autre de S3, l'amènent dans le collecteur inférieur 13 pour SS. Celui-ci alimente par des orifices allongés non figurés un collecteur général au dessous. De même, deux conduits alvéolaires 31, de part et d'autre du collecteur 6 d'entrée de SI, captent l'eau douce D à la base de chaque plaque 1 et la descendent dans son collecteur inférieur 12, qui alimente par des orifices analogues un collecteur général pour D. Les conduits alvéolaires 30 et 31 sont appliqués sur la plaque 22 qui dépasse au dessus, empêchant le mélange des débits SS et D. Le débit sortant S3 est conduit de 11 vers son collecteur général inférieur par des cheminées verticales descendantes 33, constituées de plaques minces 34 et de règles d'épaisseur non figurées, traversant par intervalles le collecteur 13 de SS. Le débit 'bÔ général d'entrée SI est injecté dans 6 depuis son collecteur général bas par des cheminées verticales analogues non figurées, ascendantes, traversant par intervalles le collecteur 12 de D. L'eau évaporante S2 s'étale sur les tissus ou revêtements mouillables 34 cousus entre eux au sommet à travers chaque plaque 2, les trous de couture permettant le 3f passage à l'extérieur du débit S2 tel que choisi. Un tissu peut être utile sur les plaques 1, régularisant l'écoulement de D et permettant une moindre épaisseur de l'espace 4. Chaque espace 4 reçoit sur sa hauteur de nombreuses réglettes horizontales 35 interposées pour arrêter la vapeur et faire chuter progressivement la pression des eaux D et S2 aspirées vers le bas chacune de son côté entre plaques et réglettes. Ces réglettes, en U inversé avec un sommet en toit séparant les deux écoulements, peuvent porter des stries sur leurs surfaces d'appui pour permettre ces écoulements malgré l'appui sur la plaque. Elles sont maintenues en position par des points de collage sur le tissu 34. Une bonne conduction thermique entre les trajets à contre-courants impose le choix de faibles épaisseurs. On définira à titre d'exemple un dimensionnement des plaques et collecteurs qui apparait réalisable avec des produits disponibles, la hauteur H te des plaques restant un paramètre d'adaptation. Les plaques alvéolaires, à section en échelle, auraient une épaisseur de 2 mm et une distance entre parois transversales de 3 mm, les parois de 0,1 mm donnant une section de canal de 1,8 x 2,9 = 5,2 mm2, soit par mètre 333 canaux avec une section de 17,31 cm2 de canaux et 2,69 cm2 de polypropylène donnant une masse de l'ordre de 450 ~S g/m2. Larges de 0,4 m (130 canaux donnant un passage de 6,76 cm2, et deux règles larges de 5 mm appliquées pour fermer les espaces entre plaques) elles seraient disposées en paquets d'épaisseur un mètre pour 77 plaques à l'intervalle de 13 mm, soit 11 mm entre plaques pour deux parois mouillables de 0,5mm et 10 mm de vapeur. Les 13 mm se retrouvent sur les collecteurs hauts de 40 mm, correspondant à : -p - en haut 2 mm de plaque, 4 mm de plaque de séparation 23 formant isolation thermique entre sortie vers réchauffeur et retour du débit SI, et 7 mm d'espace pour le liquide, - en bas 2 mm de plaque, une plaque rigide 22 de séparation de 1 mm, deux conduits verticaux 30 et 31 de 2 mm, et 6 mm pour le liquide S1 ou S3, - en niveau décalé inférieur, la plaque 22 de 1 mm et un espace soit de 12 mm pour le Z5- liquide D ou SS, soit deux fois 2,5 mm de part et d'autre d'une cheminée 33 de 5 mm de passage avec deux parois de 1 mm. Les collecteurs généraux en relief dans des plaques 26 et 27 en travers des plaques alvéolaires constituent sur le paquet deux conduits de section 70x50 mm2, longueur 1 m, connectés aux collecteurs 7 et 10 pour SI, et sous le paquet quatre conduits pour S1, S2, SS et D. Les collecteurs de plaques du haut s'ouvrent directement sur la largeur de leurs collecteurs généraux et ceux du bas s'ouvrent soit directement pour D et SS, soit, pour SI et S3, par l'intermédiaire des cheminées donnant un passage de 70x 5 mm2. Chaque collecteur général est raccordé par une tuyauterie souple aux débits 35-généraux SI, S3, D et SS de l'installation. On ne dépasse pas l'encombrement en plan des paquets, qui peuvent ainsi être accolés dans les deux sens pour limiter l'encombrement total, en restant remplaçables. Pour la construction, on monte d'abord les collecteurs sur chaque plaque par collage, certaines colles donnant une bonne adhérence sur le polypropylène. Chaque tissu 34 recouvrant les plaques 2 est cousu en haut des plaques, la couture à la machine étant aisée sur le polypropylène. Les réglettes sont fixées par des points de collage sur le tissu, n'empêchant pas l'écoulement du débit S2. Les éventuels tissus devant s'appliquer sur les plaques 1 sont collés par points sur ces plaques. On empile ensuite les plaques ainsi préparées, pour former les paquets. La pression atmosphérique tend à comprimer le paquet de plaques dont les espaces 4 se trouvent à une faible pression de vapeur. Dans les sens hauteur et largeur 4C des plaques, la résistance de leurs parois est suffisante. Dans le sens des épaisseurs de plaques, pour éviter de fortes contraintes aux contacts entre plaques et réglettes, on a limité la largeur à 0,4 m et le paquet se termine par deux parois rigides 40 recevant la pression atmosphérique, chacune constituée par exemple par une plaque de mousse de polyuréthane entre deux feuilles de composite verre-résine avec des cloisons 15 transversales. Ces parois se transmettent la force de pression par deux plaques 41 planes verticales en composite bordant le paquet sur son épaisseur de 1 m et le rigidifiant. Dans les plaques extrêmes 1 ou 2 contre ces plaques 40, les débits n'échangent que sur une face et sont freinés en conséquence sur leurs trajets d'alimentation. 2D La masse du paquet, avec 77 plaques de 0,4 m plus les accessoires, est de l'ordre de 77 x 0,4 x 0,45 = 13,86 kg par mètre de hauteur soit 18 kg/m avec les accessoires. On choisit pour les calculs un flux thermique de 2400 W/m2 de plaque à plaque, correspondant pour L=2400 kJ/kg à l'évaporation de 1 g/s par m2. On admet une vitesse moyenne de 2 cm/s pour SI dans la plaque 1, et une répartition de 1/4 pour S2 et 3/4 ZS pour S3. Calcul thermique. L'épaisseur de l'eau dans les canaux des plaques alvéolaires A est de 1,8 mm. En raison de la répartition parabolique des vitesses en laminaire, l'épaisseur équivalente pour la conduction dans l'eau d'une plaque à l'autre est de 0,6 mm. Dans les 2 faces mouillées, on suppose une épaisseur d'eau équivalente de 0,2 mm. Les deux parois de polypropylène, de conduction 0,3 W/m°C sur 0,2 mm, et l'eau de conduction 0,6 W/m°C sur 0,8 mm, donnent pour un flux de 2400 W/m2 un écart de 2400 x (0,0008/0,6+0,0002/0,3)=4,8°C. Dans l'espace 4 de vapeur, épaisseur 10 mm, flux de 2400 W/m2, on a évalué la chute de température par diffusion à 3° selon une loi de Stefan, avec l'hypothèse d'une bonne extraction d'air. On ajoute 0,6° pour l'écart osmotique moyen, et 0,2° pour tenir compte d'une homogénéisation possible de la vapeur entre deux réglettes, par exemple sur le centième de la hauteur totale. On aboutit entre SI et S3 à une différence Y=8,6°C à fournir par le réchauffeur. Si X=50°C, le rendement calorique vaut X/Y=5,8. La vitesse moyenne d'eau de 2 cm/s donne dans les canaux d'une plaque S1 (17,31 cm2) un débit de 34,62 cm3/s ou 0,3462 kg. Le flux de 2400 W/m2 sur une largeur de 2x0,39 m donne lieu dans les plaques à l'évolution : 2x0,39x2400/(4180x0,03462) = 12,936°/m. 410 Pour X=50° il faut 3,865 m, ce qui fait adopter une hauteur de 4m aisément réalisable. S1 par paquet avec 38 plaques vaut 1,315 kg/s, et S2= S1/ 4=0,329 kg/s. Le flux de 2400 W/m2 s'exerce sur 2x38x4x0,39 =118,56 m2 et vaporise 1 g par m2 et seconde soit D=0,11856 kg/s, ou 427 kg par heure, 3,41 m3 pour 8 h d'ensoleillement, ou 10,23 m3 en chauffage continu sur 24 h. Le débit S1=1,315 kg/s est élevé de 8,6° dans le Séchauffeur avec une puissance de 47 kW demandant environ 55 m2 de panneau solaire en région chaude. Pertes de charge. - Canaux. Les canaux de section 1,8 x 2,9 mm2 sont parcourus par l'eau de SI à 2 cm/s. Un conduit plat d'épaisseur e, contenant un liquide de viscosité v à vitesse moyenne V, 2cD donne en laminaire une perte de charge 12v V/e2 par mètre. Pour l'eau à 40°, v= 0,001 Ns/m2, V= 0,02 m/s, e=0,0018m, la perte de charge est de 74 Pa/m, et tenant compte des parois transversales environ 90 Pa/m soit 360 Pa pour une hauteur de 4 m. On comptera 500 Pa pour le réchauffeur solaire réalisé avec des plaques analogues qui peuvent être plus longues, et 270 Pa pour S3 soit un total de 1130 Pa dans les plaques. - Collecteurs intermédiaires: section 6 mm x 40 mm = 2,4 cm2 pour une débit collecté de 35 cm3/s, la prise intermédiaire réduisant le débit à environ 20 cm3/s à vitesse 8,33cm/s, longueur maximale 0,25 m. On trouve une perte de 7 Pa . - Cheminées de connexion aux collecteurs généraux sous le paquet de plaques : section 5 mm x 70 mm = 3,5 cm2, débit 35 cm3/s à vitesse 10 cm/s, longueur 5 cm, perte 2,4 Pa. 90 - Collecteurs généraux : section 5 cm x 5 cm = 25 cm2, débit 1,315 kg/s, ramené à 800 cm3/s (prise intermédiaire) d'où vitesse 32 cm/s, longueur 0,7 m, perte de l'ordre de 1 Pa. - Raccordements par tubes souples diamètre 40 mm ou 12,57 cm2, débit 1,315 kg/s, vitesse V= 1,05 m/s, perte de charge en laminaire dP/dx= 8 v V/R2, longueur 1 m avant gros collecteur, perte 21 Pa. Dans les conduits S1,S3 la perte de charge totale de l'ordre de 1200 Pa pour 1,315 kg/s absorbe une puissance de 1,6 W pour le paquet. L'essentiel se produisant dans les canaux de plaques, les débits s'y répartissent de manière homogène, assurant l'efficacité du contre-courant. Pour D + SS= S2 =0,328 kg/s , l'aspiration à la base du distillateur; de l'ordre de 100000 Pa, demande 40 W par paquet. Installation pour 1000 m3 par jour. Le paquet décrit fournit en chauffage solaire 3,4 m3 d'eau douce en huit heures. Pour obtenir 1000 m3 en huit heures il faut 294 paquets, chacun avec 123 m2 de plaques alvéolaires soit 36162 m2. Le débit Si vaut 294 x 1,315= 387 kg/s ou 1392 m3/h. Chaque paquet est associé à 55 m2 de panneaux solaires soit 16170 m2. Il faut au total environ 52000 m2 de plaques soit une masse de 24 tonnes, ou 30 tonnes de matière plastique avec tous accessoires. Une optimisation économique conduirait à choisir des dépenses égales d'amortissement et entretien sur le distillateur et sur les panneaux. Le dimensionnement indiqué à titre d'exemple pourrait convenir, les panneaux demandant plus de travail par j~ m2. Dans le cas d'un chauffage continu par combustion, pour augmenter le rendement calorique X/Y, on pourra réduire Y et accroître X en utilisant des matériaux plus résistants en température. Un tel distillateur peut fournir des saumures et finalement du sel sec dans un marais salant de faible dimension. 20 La puissance électrique pour les pompages a été évaluée à 42 watts pour un paquet ou 12,35 kW pour l'ensemble soit 0,1 kWh/m3. Comme pour tous les procédés de dessalement, il faut ajouter l'énergie pour amener et filtrer l'eau salée. Compte tenu de la récupération du débit S3, le débit S2 valant 3 fois le débit d'eau douce est suffisant, par exemple sur une hauteur de 20 m 25û correspondant à 0,17 kWh/m3. L'énergie pour distribuer l'eau douce après un pompage sur 40 m est de 0,12 kWh/m3. On arrive au total de 0,39 kWh/m3. Une installation solaire pour 1000 m3 par jour demande 400 kWh par jour, pouvant provenir d'environ 500 m2 de panneaux photovoltaïques, s'ajoutant au réchauffeur de 16170 m2. Revendications1. Distillateur à contre-courant pour une solution et notamment l'eau de mer, comportant un conduit 1 dans lequel un *bit Si de solution est chauffé par condensation de vapeur sur la paroi, et un réchauffeur 8 fournissant une chaleur supplémentaire, caractérisé en ce qu'une part S2 de SI chaud s'écoule ensuite à la surface d'un autre conduit 2 en s'évaporant et fournissant la vapeur, le reste S3, maintenu dans ce conduit fermé, fournissant à S2 par conduction une chaleur supplémentaire, l'eau douce D étant recueillie à la base du conduit 1 et une eau sursalée SS à la base du conduit 2. Revendication 2. Distillateur selon Revendication 1, caractérisé en ce que les conduits 1 et 2 sont constitués de plaques alvéolaires parallèles à canaux verticaux, notamment en polypropylène, les transferts de vapeur par vaporisation et condensation s'effectuant dans les espaces 4 entre plaques. Revendication 3. Distillateur selon Revendication 2, caractérisé en ce que les espaces 4 sont garnis de réglettes 35 horizontales à la partie supérieure en forme de toit pour maintenir séparés les écoulements descendants S2 et D, leurs faces verticales d'appui sur les plaques étant munies de stries pour permettre ces écoulements. Revendication 4. Distillateur selon Revendication 2, caractérisé en ce que les plaques 2 sont revêtues de tissus sur leurs deux faces. Revendication 5. Distillateur selon Revendication 1, caractérisé en ce que le débit S3 non sursalé chauffé par le fonctionnement est stocké de jour et refroidi la nuit par évaporation et par radiation vers le ciel dans le panneau solaire formant le réchauffeur 8, avant d'être recyclé.