Brevet FR3091316A1 — publié le 20200703

Description Titre de l'invention : Échangeur de pression volumétrique à effet booster et mesure de débit intégrée, pour une installation de des- salement d'eau de mer [0001] La présente invention concerne un échangeur de pression volumétrique à effet booster et mesure de débit intégrée, destiné à une installation de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, ainsi qu'une installation de dessalement. Dans les installations de dessalement d'eau de mer par osmose inverse, on alimente des membranes semi-perméables avec de l'eau de mer amenée à haute pression (entre 50 et 70 bars généralement). En sortie des MOI (membranes d'osmose inverse) on récupère d'une part l'eau dessalée (perméat) à pression proche de la pression atmosphérique, et d'autre part l'eau sursalée (concentrât). Le concentrât conserve la pression d'alimentation diminuée des pertes de charge au travers des membranes, suivant les installations et le colmatage des membranes cette perte peut varier de 1 à 4 bars. Le pourcentage de perméat par rapport au débit d'eau d'alimentation est généralement compris entre 35 et 50%, ce pourcentage appelé taux de conversion varie principalement en fonction de la salinité de l'eau et de sa température. Il est important de récupérer l'énergie mécanique contenue dans le concentrât avec le meilleur rendement possible et dans toutes les conditions de variation des pertes de charge et de variation du taux de conversion. Il existe de nombreux dispositifs à pistons destinés à récupérer l'énergie contenue dans le concentrât sortant des MOI mais ils sont obligatoirement associés dans le processus global à des pompes de relevage de pression pour compenser les pertes de charge et à des dispositifs de contrôle des débits en entrées et sorties des récupérateurs pour adapter les taux de conversion. L'invention a pour objet un échangeur de pression volumétrique du type défini d'entrée, comprenant au moins une unité d'échange de pression, ladite unité d'échange de pression comprenant un corps cylindrique creux, un piston coulissant dans ledit corps, ledit piston comprenant une tête de piston avec joint étanche séparant. l'intérieur du dit corps cylindrique en une chambre aval (eau brute) et une chambre amont (concentrât), ledit piston relié par une bielle au maneton d'un vilebrequin, ladite chambre aval étant munie d'un dispositif d'admission et de refoulement d'eau à traiter, ladite chambre amont étant munie d'une vanne à cinq voies constituée par les manivelles du vilebrequin entrainé par un moteur électrique piloté par un variateur de fréquence, ladite vanne comprenant deux orifices symétriques d'alimentation en concentrât pressurisé, deux orifices symétriques d'évacuation dudit concentrât et une ouverture de communication avec ladite chambre amont. Selon un mode d'exécution, le vilebrequin distributeur comprend deux manivelles symétriques chacune à ouverture de mise en communication et fermeture réalisant un équilibrage des forces hydrauliques appliquées au vilebrequin. Selon un mode d'exécution, l'étanchéité dynamique dudit vilebrequin distributeur est réalisée au moyen de bagues d'étanchéité à faible coefficient de frottement plaquées contre les manivelles du vilebrequin par tout moyen mécanique. Selon un mode d'exécution, l'étanchéité dynamique dudit vilebrequin distributeur est réalisée au moyen de bagues d'étanchéité à faible coefficient de frottement plaquées contre les manivelles du vilebrequin par tout moyen hydraulique. L'échangeur de pression volumétrique selon l'invention peut comprendre une pluralité d'unités d'échan2e de pression telles que décrites et idéalement cinq ou sept unités. Selon un mode d'exécution, les moyens d'entraînement motorisés sont reliés par engrenages et chaque unité est calée angulairement pour répartir les débits sur 360'. Le nombre d'unités de pression, l'alésage ct la course des corps cylindriques sont définis en fonction du débit disponible de concentrât de l'installation, la vitesse de rotation de l'embiellage est ajustée automatiquement cn fonction du débit souhaité au travers de l'échangeur afin de s'adapter au taux de conversion souhaité. Exposé de l'invention 10002] DESCRIPTION DE L'INVENTION La figure I (Fig. I) montre une unité d'échange dc pression dont la partie centrale est constituée d'un corps cylindrique (I) dans lequel coulisse un piston (2) relié par unc bielle au vilebrequin (3). Lc piston (2) sépare de façon étanche l'intérieur du corps cylindrique (1) en une chambre aval et unc chambre amont. Le corps cylindrique (1) est prolongé à sa première extrémité, du côté de la chambre aval, d'un bloc qui est solidarisé de manière étanche avec le corps cylindrique (I) par des moyens de type joints ct boulons, en soi connus. Lc bloc inclus un orifice d'admission d'amenée d'eau de mer à traiter avec clapet d'admission anti-retour (4) cn soi connu de l'homme du métier. Le bloc inclus également un orifice de refoulement amenant l'eau de mer au MOI comprenant également un clapet anti-retour (5). L'autre extrémité du corps cylindrique (1), du côté de la chambre amont, est prolongée par un bloc intégrant l'embiellage distributeur (3) solidarisé par des moyens de type joints et boulons, en soi connus. Les manivelles de l'embiellage (3) comprennent chacune un orifice d'alimentation 3a de forme particulière mettant alternativement à chaque tour en communication les entrées du concentrât pressmisé avec la chambre amont du cylindre (1) et les sorties du 3 concentrât, dont on a récupéré l'énergie, en communication avec la chambre amont du cylindre (1). À noter que le système réalise la distribution et l'étanchéité des différentes voies sans poussée axiale sur le vilebrequin. L'axe du vilebrequin est relié à un dispositif d'entrainement lui-même entrainé par un ou des moteurs au moyen, par exemple, d'engrenages. Le ou les moteurs assurent la rotation de l'embiellage distributeur à vitesse contrôlée par variateur de fréquence pour adapter au taux de conversion souhaité et apportent l'énergie nécessaire à la compensation des pertes de charge des MOI avec un rendement très élevé comparativement au processus habituel ou la remontée de pression est réalisée par une pompe booster centrifuge indépendante. L'unité d'échange de pression dont la structure vient d'être décrite ci-dessus fonctionne comme suit: L'eau de mer, fournie par une pompe de gavage de l'installation de dessalement, pénètre dans le bloc par le clapet (4) et donc à l'intérieur de la chambre aval du corps cylindrique (1), sans régulation de pression d'entrée, et en ressort par le clapet de refoulement (5). Le vilebrequin est en rotation permanente. Au début d'un cycle, lorsque le piston (2) est à droite en position d'inversion de mouvement les orifices d'alimentation (3a en concentrât rentrent en communication avec les entrées haute pression, le concentrât pénètre à l'intérieur de la chambre amont du corps cylindrique (1), la chambre aval étant remplie d'eau de mer. Le piston se déplace vers la gauche en refoulant l'eau de mer brute par le clapet (5), poussé par le concentrât et aidé par les moteurs d'entrainement avec une dépense d'énergie correspondante à la remontée de pression nécessaire. Quand le piston 'nive en fin de course vers la gauche, simultanément les orifices (3a) ferment la communication avec les entrées haute pression de concentrât et ouvrent la communication avec les sorties du concentrât dont on a prélevé l'énergie. La dépression consécutive des deux côtés du piston (2) provoque la fermeture du clapet (5), l'eau de mer brute fournie par une pompe de gavage de l'installation pénètre par le clapet (4) et repousse le piston (2) vers la droite en refoulant le concentrât pour un nouveau cycle. Contrairement aux systèmes connus le surplus éventuel d'énergie contenu dans l'eau de mer en provenance de la pompe de gavage est récupéré et aide les moteurs pour assurer la rotation et la remontée de pression. En cas d'insuffisance de pression d'alimentation, rédhibitoire dans les autres systèmes connus, les moteurs amènent l'énergie nécessaire à l'évacuation du concentrât. La figure (Fig.2) montre un échangeur de pression volumétrique comprenant cinq unités d'échange de pression du type montré dans la figure 1, montées en parallèle. Des moto-réducteurs électriques assurent la rotation des cinq embiellages distributeurs calés à 72° les uns des autres de sorte à assurer un fonctionnement régulier du système. 4 Le nombre, le diamètre, la course des cylindres définis le système est un débitmètre de grande précision; cette caractéristique permet, avec un simple contrôleur, de varier la vitesse de rotation pour adapter le débit traversant l'échangeur de pression au taux de conversion souhaité. En résumé, l'échangeur de pression volumétrique selon l'invention offre les caractéristiques et avantages suivants: faible consommation énergétique du système de distribution ; remontée de pression par le système volumétrique avec rendement supérieur aux pompes centrifuges et sans consommation de débit de concentrât pour la fonction ; pas de mélange concentrât/eau de mer du fait de l'étanchéité totale du piston séparateur; pas de fuite du système distributeur du fait des bagues d'étanchéité poussées ; récupération partielle de l'énergie contenue dans l'eau brute amenée par les pompes de gavage ; pas de régulations nécessaires sur l'alimentation en eau brute, la sortie eau brute haute pression, l'alimentation concentrât haute pression ni la sortie concentrât basse pression ; adaptabilité au taux de conversion souhaité par contrôle de la vitesse de rotation ; pas de risques de coups de bélier ; fonctionnement peu bruyant ; possibilité de très haut débit ; faible encombrement, tuyauteries de liaison peu nombreuses et courtes ; maintenance simple et peu onéreuse ; le système ne nécessite pas de filtration de l'eau en dessous de 50 microns.