FR3029907B1 - Procede de purification de l'eau par osmose inverse et installation mettant en oeuvre un tel procede. - Google Patents

Procede de purification de l'eau par osmose inverse et installation mettant en oeuvre un tel procede. Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un procédé énergétiquement autonome de purification d'eau et une installation mettant en œuvre un tel procédé, ladite installation comprenant (a) un module de production d'énergie thermodynamique à partir d'un fluide de travail (111) et comprenant (i) au moins deux cylindres de transfert (101, 102), (ii) un évaporateur (105), (iii) une source de chaleur (108) connectée à l'évaporateur (105), (iv) un condenseur (106), (v) un réservoir (109), (vi) une source froide (110) connectée au condenseur (106), (vii) des moyens de conduction du fluide de travail (111), (viii) des moyens de contrôle du débit du fluide de travail (111), (b) un module de purification de l'eau à traiter (107), et (c) un module de récupération d'énergie comprenant (i) un premier circuit hydraulique apte à pressuriser le fluide de travail et (ii) un second circuit hydraulique apte à remplir au moins partiellement les au moins deux cylindres de transfert.

Description

« Procédé de purification de l'eau par osmose inverse et installation mettant en œuvre un tel procédé »
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé et une installation de production d'eau potable.
La présente invention se situe dans le domaine de la production d'eau potable, et plus particulièrement la production d'eau potable en faible quantité (moins de 100 m3 par jour) et de manière autonome du point de vue énergétique.
Etat de la technique antérieure
De manière connue, il existe diverses techniques de désalinisation qui peuvent être classées selon deux typologies : - les procédés thermiques qui reposent sur une technique de distillation telle que la distillation flash multi-étagée, la distillation multi-effet ou la compression mécanique ou thermique de vapeur. L'inconvénient de ces procédés est leur consommation excessive en énergie électrique. - les procédés de séparation membranaire, soit mécaniques tels que l'osmose inverse qui consomme uniquement de l'énergie hydraulique produite généralement à partir de pompe(s) électrique(s) haute(s) pression(s), soit électrochimiques tels que l'électrodialyse qui consomme uniquement de l'énergie électrique. Ces procédés sont moins énergivores mais leur consommation électrique dépend de la salinité de l'eau.
Par ailleurs, l'utilisation d'une ressource d'énergie renouvelable, telle que le solaire ou l'éolien, pour la potabilisation d'eaux saumâtres est aussi connu au travers de plusieurs associations : - la distillation solaire qui consiste à chauffer l'eau directement par le rayonnement solaire dans une enceinte fermée recouverte d'un vitrage légèrement incliné et sur lequel les condensais se forment et sont recueillis en partie basse. Bien que le principe soit simple et sans contrôle ni commande, le rendement de ce dispositif est relativement faible, de l'ordre de 5 litres/m2/jour. Cette technique est réservée aux installations de petite taille et conduit à des coûts de production élevés. - L'osmose inverse couplée à ressource solaire photovoltaïque : ce procédé utilise l'énergie électrique produite par des capteurs photovoltaïque pour alimenter des pompes qui pressurise à haute pression l'eau salée. Cette technique permet de produire de l'eau douce à partir d'eau saumâtre de faible salinité avec une consommation électrique réduite mais au prix de coûts de production élevés. - L'osmose inverse couplée à une ressource éolienne : cette technologie se limite aux sites dotés d'un potentiel éolien intéressant et stable tout l'année, comme par exemple certaines régions côtières et fonctionnent pour de petites capacités de production (inférieur à 100m3 par jour) avec un stockage d'énergie par batteries, entraînant des coûts de production également élevés.
Ainsi, malgré la diversité des solutions existantes pour la production d'eau potable à l'aide d'installation autonomes, ces dernières ne sont économiquement viables que pour des capacités de productions réduites, typiquement inférieures à la centaine de mètres-cube d'eau traitée par jour.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie aux problèmes précédents et de conduire en outre à d'autres avantages.
Un autre but de la présente invention est de résoudre au moins un de ces problèmes par une nouvelle installation de purification d'eau.
Un autre but de la présente invention est de réduire les coûts d'investissement et d'entretien d'une telle installation.
Un autre but de la présente invention est de réduire la consommation énergétique nécessaire à la production d'eau potable.
Un autre but de la présente invention est de réduire les coûts de production d'eau potable.
Un autre but de l'invention est de proposer un procédé de purification d'eau autonome énergétiquement.
Exposé de l'invention
On atteint au moins l'un des objectifs précités avec une installation de purification d'eau à traiter comprenant : - un module de production d'énergie thermodynamique à partir d'un fluide de travail et comprenant (i) au moins deux cylindres de transfert aptes chacun à contenir à la fois l'eau à traiter et le fluide de travail,(ii) un évaporateur, apte à faire passer le fluide de travail de l'état liquide à l'état gazeux et à pressuriser les au moins deux cylindres de transfert afin d'alimenter le module de purification en eau à traiter sous pression, (iii) une source de chaleur connectée à l'évaporateur et coopérant avec lui pour évaporer le fluide de travail, (iv) un condenseur apte à liquéfier le fluide de travail et à reconstituer le volume d'eau à traiter dans l'au moins un cylindre de transfert, (v) un réservoir apte à stocker le fluide de travail liquide, (vi) une source froide connectée au condenseur et coopérant avec lui pour liquéfier le fluide de travail, (vii) des moyens de conduction du fluide de travail vers au moins l'évaporateur, le condenseur, le réservoir et les au moins deux cylindres de transfert, et (viii) des moyens de contrôle du débit du fluide de travail et opérant sur lesdits moyens de conduction, - un module de purification de l'eau à traiter apte à recevoir de l'eau à traiter sous pression, et - un module de récupération d'énergie entre le module de purification de l'eau à traiter et le module de production d'énergie thermodynamique, ledit module de récupération d'énergie comprenant (i) un premier circuit hydraulique apte à pressuriser le fluide de travail et comprenant des moyens de conduction du fluide de travail et des moyens de contrôle du débit du fluide de travail, et (ii) un second circuit hydraulique apte à remplir au moins partiellement les au moins deux cylindres de transfert et comprenant des moyens de conduction de l'eau à traiter et des moyens de contrôle du débit de l'eau à traiter.
Ainsi l'installation selon l'invention permet de proposer une alternative nouvelle et innovante qui répond aux problèmes techniques exposés ci-dessus et non résolus par les installations connues jusqu'ici et qui font faces à des problèmes de durabilité et de maintenance importante du fait de leur relative complexité. L'installation selon l'invention met en œuvre des composants dont la technologie est mature, tels que par exemple des réservoirs à vessie de type hydro-accumulateur, des vérins hydrauliques à pistons, des vannes hydrauliques, des panneaux solaires thermiques plans classiques... et permet ainsi non seulement de réduire les coûts de fabrication et d'investissement initiaux, mais aussi de réduire les frais de maintenance et d'entretien puisque l'installation selon la présente invention ne met pas en œuvre de consommables.
De plus l'installation selon l'invention est ainsi capable de fonctionner sur site isolé en totale autonomie énergétique grâce à l'utilisation d'une source d'énergie renouvelable telle que le solaire par exemple, associée au module de récupération d'énergie, et sans production et/ou consommation d'électricité : l'installation et/ou le procédé selon l'invention réalise(nt) à la fois le pompage de l'eau à traiter et sa pressurisation pour sa purification, par exemple par un traitement osmotique.
Ainsi, la production d'eau potable est assurée à moindre coût en comparaison aux installations existantes jusqu'alors. En effet, ces dernières solutions de dessalement sur sites isolés conduisent à des coûts de production d'eau douce qui varient - selon les technologies - entre 7€ et 13€ par mètre-cube produit d'eau potable. Les composants qui constituent la présente invention ainsi que la faible consommation énergétique dont elle fait montre conduisent ainsi à un coût estimé de production divisé par un facteur 2 à 3 en comparaison aux solutions actuelles. L'installation selon l'invention met en œuvre un procédé thermo-hydraulique qui utilise un fluide de travail subissant un cycle thermodynamique moteur, plus performant que le cycle classique de Rankine. Dans ce cycle, les échanges de chaleur sont effectués avec des changements de phase du fluide de travail(évaporation et condensation) qui garantissent des échanges thermiques plus efficaces (coefficients d'échange thermique élevés), tandis que les échanges de travail lors des étapes de compression et de détente sont effectués de manière quasi-isentropique par l'intermédiaire par exemple d'un piston liquide. L'énergie hydraulique(assimilable à un travail) ainsi produite lors de la détente du fluide de travail, peut alors permettre soit une production d'électricité via une turbine hydraulique ou encore être exploitée directement sans conversion énergétique afin de mettre de l'eau saumâtre sous une pression suffisante pour qu'elle soit « filtrée » au travers d'une membrane osmotique par exemple.
Le module de production d'énergie thermodynamique a pour fonction de convertir une source d'énergie extérieure à l'installation - de manière préférentielle mais non limitative, une énergie renouvelable par exemple -en une énergie thermodynamique qui sera exploitée par l'installation et/ou le procédé pour purifier l'eau par le biais d'un échange de travail entre le fluide de travail d'une part et l'eau à traiter d'autre part.
Le module de récupération d'énergie permet de réaliser cet échange de travail entre l'eau à traiter et le fluide de travail. Il permet aussi de recycler ce dernier en fin de processus afin de le re-transposer dans un état initial qui bénéficiera de l'apport d'énergie renouvelable pour entamer un nouveau cycle.
De manière avantageuse, les moyens de contrôle et/ou de régulation du débit du fluide de travail et/ou de l'eau à traiter peuvent être des vannes et/ou des clapets et/ou limiteurs-régulateurs de débit. Ils sont placés entre les différents éléments de l'installation afin d'orienter et de réguler la circulation du fluide de travail et de l'eau à traiter dans ladite installation, en fonction par exemple des pressions auxquelles sont soumis les différents dispositifs du module de récupération d'énergie et/ou le module de production d'énergie thermodynamique.
Le fluide de travail est choisi - préférentiellement - de telle sorte qu'il ne soit pas soluble ou faiblement soluble dans l'eau à traiter et qu'il ne réagisse pas avec celle-ci lorsqu'ils sont mis en contact. Dans le cas où le fluide de travail serait soluble dans l'eau à traiter et/ou qu'il serait instable à son contact et/ou pour n'importe quelle raison technique ou de maintenance, il peut être nécessaire d'isoler le fluide de travail de l'eau à traiter par un moyen qui n'empêche pas les échanges de travail.
Selon un mode de réalisation préférentiel, les au moins deux cylindres de transfert peuvent comprendre en outre chacun un moyen apte à isoler l'un de l'autre le fluide de travail et l'eau à traiter d'une part, et apte à ne pas empêcher l'échange de travail entre eux d'autre part.
Ce moyen peut être une membrane fine et souple interposée entre le fluide de travail et l'eau à traiter. Elle crée ainsi une barrière imperméable entre eux et n'oppose qu'une faible résistance au déplacement de l'eau à traiter lorsque celle-ci entre ou sort de l'au moins un cylindre de transfert. Par ailleurs, cette membrane doit être en mesure de résister aux pressions auxquelles sont soumis le fluide de transfert et/ou l'eau à traiter.
Dans ce mode de réalisation préférentiel, ledit moyen peut consister en une membrane élastique apte à contenir le fluide de travail. Cette membrane est dénommée de manière indifférente par la suite « vessie » ou « vessie élastique ».
La source de chaleur peut être de n'importe quel type, cependant, les sources d'énergies renouvelables sont choisies de manière préférentielle, telle que l'énergie géothermique ou solaire par exemple.
De manière comparable, la source froide peut être de n'importe quel type et peut être différente de l'eau à traiter. Selon un mode de réalisation particulier, il peut s'agir par exemple de l'eau saumâtre à traiter et pompée directement dans la nappe phréatique.
Selon une version de l'invention, le module de production d'énergie thermodynamique peut comprendre exactement deux cylindres de transfert fonctionnant en opposition de phase pour le remplissage et le vidage en eau à traiter et en fluide de travail : ils sont notamment connectés alternativement à l'évaporateur et au condenseur afin d'assurer une production pseudo-continue d'eau traitée.
Selon un autre aspect de l'invention, le module de récupération d'énergie situé entre le module de purification de l'eau à traiter et le module de production d'énergie thermodynamique peut comprendre en outre au moins un vérin hydraulique double-effet coopérant avec le premier circuit hydraulique et/ou le second circuit hydraulique.
Dans ce mode de réalisation préférentiel, le module de récupération d'énergie peut comprendre d'une part un dispositif principal comprenant un vérin principal moteur couplé à un vérin principal de pompage, ledit dispositif principal étant connecté au premier système hydraulique, et d'autre part un dispositif secondaire comprenant un vérin secondaire moteur couplé à un vérin secondaire de pressurisation, ledit vérin secondaire moteur étant connecté au premier circuit hydraulique et ledit vérin secondaire de pressurisation étant connecté au second circuit hydraulique correspondant au circuit du fluide de travail du cycle thermodynamique. L'énergie hydraulique du concentrât résiduel en sortie du module de purification de l'eau, encore sous pression élevée, peut ainsi être récupérée grâce au module de récupération d'énergie qui, à l'aide des deux vérins moteurs double-effets, réalise d'une part le pompage puis le remplissage de l'au moins un cylindre de transfert en eau à traiter et, d'autre part, la pressurisation du fluide de travail condensé du condenseur vers l'évaporateur. Ainsi, l'installation permet de produire de manière autonome de l'eau douce pour les besoins de sites isolés, à partir d'une énergie thermique telle que délivrée par exemple par des capteurs solaires.
Les deux vérins moteurs principal et secondaire peuvent comporter en outre un dispositif de réglage de débit, disposé sur l'admission ou l'échappement des vérins. Celui-ci a pour rôle de contrôler et de régler la vitesse de déplacement du piston à une valeur compatible avec les contraintes de fonctionnement du module de traitement de l'eau à traiter. Selon cette version préférentielle, le volume du vérin principal de pompage peut être égal au volume total de l'au moins un cylindre de transfert.
Selon une autre particularité de l'invention, le module de purification de l'eau à traiter peut être un module membranaire d'osmose inverse. Dans ce cas, il est nécessaire d'imposer à la membrane osmotique une pression de l'eau à traiter au moins supérieure à sa pression osmotique, et plus particulièrement au moins égale à la pression osmotique de l'eau saumâtre concentrée en sortie de ladite membrane osmotique qui est fonction de sa concentration et donc de la quantité d'eau douce produite escomptée.
Avantageusement, la source froide peut être une source d'eau à traiter et raccordée au module de récupération d'énergie.
De manière préférentielle encore, la source de chaleur peut comprendre une pluralité de capteurs solaires thermiques.
Selon une version préférentielle de ce mode de réalisation, les capteurs solaires thermiques peuvent fonctionner en thermosiphon afin de permettre un fonctionnement complètement autonome du capteur et, par conséquent, de l'installation selon l'invention.
Selon un autre aspect de l'invention, le fluide de travail peut être choisi préférentiellement parmi les fluides secs ou isentropiques, de type non organique (CO2, H2O, NH3,...), organiques (HCFC, HFC, hydrocarbures,...) ou mélange azéotropiques de fluides organiques. De manière générale, le fluide de travail subit des transformations dans le domaine thermodynamique de température et de pression de préférence compatible avec l'équilibre liquide-gaz. Il est donc choisi en fonction d'une part des températures de la source de chaleur et du puits froid, ainsi que d'autre part de la pression minimale à laquelle doit être portée l'eau à traiter. D'autres critères peuvent être pris en considération pour choisir le fluide de travail, tels que par exemple sa toxicité, son influence sur l'environnement, sa stabilité chimique ou encore son coût. Ainsi pour des applications utilisant de l'énergie thermique basse température (80-120°C) pour dessaler des eaux saumâtres de salinité inférieure à 10g/l, le fluide de travail sera choisi parmi des fluides organiques classiquement utilisés par exemple dans les cycles de Rankine organiques tel que par exemple le R134a, R236fa, R245fa, R600, R601, RC318, R1234yf ou des mélange azéotropiques de fluides organiques. Toutefois, une installation selon l'invention peut également fonctionner avec un mélange non azéotropique de fluides en tant que fluide de travail.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de purification d'eau à traiter à l'aide d'une installation de purification selon l'invention et comprenant une succession de cycles comprenant chacun les étapes suivantes : - une première étape de pressurisation initiale des au moins deux cylindres de transfert, - une seconde étape comprenant simultanément (i) la production d'eau douce sous pression constante, et (ii) le pompage de l'eau à traiter, - une troisième étape comprenant simultanément (i) la détente adiabatique du fluide de travail, (ii) la production d'eau douce et(iii) le pompage d'eau à traiter, - une quatrième étape comprenant simultanément (i) la détente adiabatique du fluide de travail, (ii) la pressurisation du fluide de travail.
Ce procédé permet ainsi, à partir d'une source de chaleur et d'un puits froid, la production d'un travail hydraulique qui in fine permet (i) de pomper l'eau à traiter depuis la nappe phréatique par exemple, (ii) de la pressuriser en vue de son traitement, et (iii) de pressuriser et faire circuler le fluide de travail entre le condenseur et l'évaporateur pour lui faire décrire un cycle thermodynamique proche de celui du cycle de Rankine.
Préférentiellement, le condenseur est à une pression dite basse pression tandis que l'évaporateur est à une pression dite haute pression et supérieure à celle du condenseur, lesdites basses pressions et hautes pressions correspondant respectivement aux pressions de condensation et d'évaporation.
Selon une version avantageuse de l'invention, l'installation de purification peut comprendre exactement deux cylindres de transfert fonctionnant en opposition de phase sur deux demi-cycles. Durant le premier cycle, le premier cylindre tend à se vider en eau à traiter sous l'effet de la dilatation de sa vessie interne grâce au travail du fluide de travail tandis que le second cylindre tend à se remplir en eau à traiter tandis que sa vessie interne se contracte sous l'effet de la condensation du fluide de travail qu'elle contient. Durant le second cycle, les rôles s'inversent et le premier cylindre tend à se remplir en eau à traiter alors que sa vessie interne se contracte sous l'effet de la condensation du fluide de travail qu'elle contient tandis que le second cylindre tend à se vider en eau à traiter sous l'effet de la dilatation de sa vessie interne grâce au travail du fluide de travail.
Dans cette version de l'invention, la première étape peut consister à réaliser simultanément (i) la mise en communication du premier cylindre de transfert avec l'évaporateur, permettant ainsi de pressuriser le premier cylindre de transfert à la pression haute de l'évaporateur, et (ii) la mise en communication du second cylindre de transfert avec le condenseur, permettant ainsi de pressuriser le second cylindre de transfert à la pression basse du condenseur.
Avantageusement, la seconde étape peut consister à réaliser simultanément (i) la mise en communication du premier cylindre de transfert avec le vérin principal moteur via le module de purification de l'eau à traiter, permettant ainsi de faire circuler l'eau à traiter contenue dans le premier cylindre vers le module de purification de l'eau à traiter - produisant ainsi l'eau potable -puis vers le vérin principal moteur qui entraîne le vérin principal de pompage, et (ii) la mise en communication du second cylindre de transfert avec le vérin principal de pompage afin de remplir le second cylindre de transfert de l'eau à traiter.
Avantageusement, la troisième étape peut consister à isoler le premier cylindre de transfert vis-à-vis de l'évaporateur.
Avantageusement, la quatrième étape peut consister à réaliser simultanément (i) l'isolement du second cylindre de transfert vis-à-vis du condenseur, (ii) l'isolement du premier cylindre de transfert vis-à-vis du vérin principal moteur, et(iii) la mise en communication du vérin secondaire moteur avec le premier cylindre de transfert.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation de l'installation et/ou du procédé selon l'invention pour désaliniser des eaux saumâtres de salinité inférieure à 10 g/L par osmose inverse.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation de l'installation et/ou du procédé selon l'invention pour potabiliser des eaux usées ou des eaux pluviales.
Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé une utilisation de l'installation et/ou du procédé selon l'invention pour dépolluer des effluents industriels ou agricoles.
Description des figures et des modes de réalisation D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d'une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d'autre part, sur lesquels : - La FIGURE 1 illustre un schéma descriptif d'une installation mettant en œuvre le procédé de dessalement selon l'invention et suivant le mode de réalisation préféré de l'invention, - la FIGURE 2 illustre la première étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pressurisation des cylindres, - la FIGURE 3 illustre la deuxième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de production osmotique d'eau potable sous pression constante, - la FIGURE 4 illustre la troisième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pompage du fluide du condenseur vers l'évaporateur, - la FIGURE 5 illustre la quatrième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de détente adiabatique du fluide de travail, - la FIGURE 6 illustre l'évolution de la pression des vessies gonflables au cours de trois demi-cycles, - la FIGURE 7 illustre l'évolution du volume des vessies gonflables au cours de trois demi-cycles, - la FIGURE 8 illustre la première étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape dépressurisation des cylindres, - la FIGURE 9 illustre la deuxième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de production osmotique d'eau potable sous pression constante, - la FIGURE 10 illustre la troisième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pompage du fluide du condenseur vers l'évaporateur, - la FIGURE 11 illustre la quatrième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de détente adiabatique du fluide de travail, - la FIGURE 12 illustre les performances du procédé et de l'installation selon l'invention, et plus particulièrement la consommation énergétique spécifique en énergie thermique par rapport à la concentration de l'eau saumâtre traitée, - la FIGURE 13 illustre les performances du procédé et de l'installation selon l'invention, et plus particulièrement la production spécifique journalière d'eau douce par rapport à la concentration de l'eau saumâtre traitée.
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs ; on pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieur.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
Description de l'installation
La FIGURE 1 illustre un schéma descriptif d'une installation mettant en œuvre le procédé de purification de l'eau selon l'invention, et plus particulièrement selon un exemple particulier de purification par osmose inverse. L'installation selon l’invention permet de produire par osmose inverse de l’eau douce et/ou de l'eau potable à partir d’une eau à traiter. Il peut s'agir par exemple d'eau saumâtre de faible salinité (<10g/L) à désaliniser, d'eaux usées ou pluviales à rendre potable ou encore d'effluents industriels ou agricoles à dépolluer. L'osmose inverse est une technique bien connue de purification de l'eau par filtration des matières en solution qu'elle contient. Pour ce faire, il est nécessaire de mettre sous pression l'eau à traiter au-delà de sa pression osmotique afin de réaliser la perméation de l'eau seule, sans sels dissous, au travers d'une membrane semi-perméable.
Cette mise sous pression est réalisée par l'intermédiaire d'un cylindre de transfert 101 ou 102, préalablement rempli d'eau à traiter 113 ou 114, et comportant une vessie interne élastique 103 ou 104 pressurisée périodiquement par un fluide de travail gazeux qui décrit un cycle thermodynamique proche de celui de Rankine. Selon les étapes de ce cycle, la vessie 103 ou 104 est alternativement connectée à un évaporateur haute-pression 105 ou à un condenseur basse-pression 106.
Lorsque la vessie 103 ou 104 est connectée à l'évaporateur 105, le volume du fluide de travail contenu dans ladite vessie augmente et pressurise ainsi le cylindre de transfert 101 ou 102, par expansion de la vessie. L'eau à traiter contenue dans le réservoir est ainsi mise sous pression et alimente une membrane osmotique 107 afin d'être filtrée.
Lorsque la vessie 103 ou 104 est connectée au condenseur 106, le volume du fluide de travail contenu dans la vessie diminue et dépressurise ainsi le cylindre de transfert 101 ou 102, par contraction de la vessie. Il est à nouveau remplit en eau à traiter afin de démarrer un nouveau cycle.
Le fonctionnement précis du procédé objet de la présente invention est décrit dans les paragraphes suivants.
Pour une production pseudo-continue d'eau traitée, deux cylindres de transfertlOl et 102 comportant respectivement au moins une vessie interne élastique 103 et 104 fonctionnent en opposition de phase ; ils sont alternativement connectés à l'évaporateur 105 ou au condenseur 106.
Selon un mode de réalisation particulier, l'énergie hydraulique du concentrât en sortie de membrane osmotique 107, encore sous pression élevée, peut-être récupérée grâce à deux vérins double-effet 120 et 130 qui réalisent d'une part le pompage puis le remplissage des réservoirs 101 et 102 en eau saumâtre, et d'autre part la pressurisation du fluide de travail du condenseur 106 vers l'évaporateur 105. Ainsi, l'installation permet de produire de manière autonome de l'eau douce pour les besoins de sites isolés, à partir d'une énergie thermique basse température telle que celle délivrée à 80-120°C par des capteurs solaires plans.
En référence avec la FIGURE 1, l'installation pour la production d'eau douce ou potable selon l'invention est ainsi constituée des composants suivants : - un évaporateur 105 couplé à une source de chaleur 108 qui chauffe et vaporise un fluide de travail 111 ; - un puits froid 110 qui correspond aussi à la source d'alimentation en eau saumâtre à traiter 112 ; - un condenseur 106 couplé au puits froid 110 qui refroidit et liquéfie le fluide de travail 111; - un réservoir 109 de fluide de travail, placé sous le condenseur 106, ledit fluide de travail étant condensé sous forme liquide ; - deux cylindres de transfert 101 et 102, contenant chacun d'une part l'eau à traiter 113 et 114 et d'autre part le fluide de travail 115 et 116 confiné dans une vessie gonflable élastique 103et 104 apte à varier d'un volume nul ou quasi nul jusqu'à un volume presque identique à celui du cylindre ; - un premier circuit hydraulique permettant de faire circuler le fluide de travail 111 entre les vessies gonflables 103 et 104 d'une part, l'évaporateur 105, le condenseur 106 et le réservoir 109 d'autre part. Selon le mode particulier de réalisation décrit sur la FIGURE 1, le premier circuit hydraulique permet en outre de faire circuler le fluide de travail 111 vers un premier vérin hydraulique 120 ; - un second circuit hydraulique permettant de faire circuler l'eau à traiter 112 depuis le puits froid 110, au travers du condenseur 106 et vers les cylindres de transfert 101 et 102. Le second circuit hydraulique permet en outre de faire circuler l'eau à traiter vers un module membranaire d'osmose inverse 107 et, selon ce mode de réalisation particulier de l'invention, au travers d'un ensemble de deux vérins hydrauliques 120 et 130 ; - un jeu de vannes 148, 147 et 149 permettant respectivement d'isoler l'évaporateur 105, le condenseur 106, ou de les connecter à l'une ou l'autre des vessies 103 et 104 en fonction des étapes du cycle thermo-hydraulique ; - un module membranaire d'osmose inverse 107 permettant de produire de l'eau douce 190.
Selon le mode particulier de réalisation tel que représenté sur la FIGURE 1, l'installation comporte en outre deux ensembles de vérins hydrauliques double-effet 120 et 130 : - un premier dispositif 130, dit principal, couplant mécaniquement un vérin moteur 132 à un second vérin 131. Le vérin moteur 132 est mis en mouvement par le concentrât encore à haute pression et sortant du module membranaire d'osmose inverse 107. Le vérin moteur 132 entraîne ainsi le second vérin 131 pour réaliser le pompage de l'eau à traiter 112 et le remplissage des cylindres 101 et 102. - un second dispositif 120, dit secondaire, couplant mécaniquement un vérin moteur 121 à un second vérin 122. Le vérin moteur 121 est- lui aussi - mis en mouvement par le concentrât en sortie du module membranaire d'osmose inverse 107, et entraîne le second vérin 122 pour pressuriser le fluide de travail 111.
Afin de diriger le concentrât en sortie du module membranaire osmotiquel07 vers l'un ou l'autre des vérins moteurs 121 et 132,1e second circuit hydraulique de l'installation selon l'invention comprend aussi des vannes dites de fermeture 143, 144,145 et 146 qui permettent d'alimenter en concentrât l'un et/ou l'autre vérin moteur 121 et/ou 132 d'une part, ainsi que des vannes dites de purge 141 et 142, pouvant être disposés en amont d'un dispositif de réglage de débit 195 qui permet d'évacuer l'eau saumâtre concentrée 180 du vérin moteur, par exemple à la pression atmosphérique, et de contrôler la vitesse de déplacement des pistons des vérins moteurs 121 et 132 en adaptant le débit à leur échappement.
Enfin, l'installation selon l'invention comprend des premiers clapets de retenue 151, 152, 153 et 154 sur le premier circuit hydraulique et placés à chaque extrémité du second vérin de pompage du fluide de travail 122 afin de contrôler le sens de passage du fluide de travail en fonction des pressions du vérin moteur 121, ainsi que des deuxièmes et troisièmes clapets de retenue sur le second circuit hydraulique afin de contrôler le sens de passage de l'eau à traiter en fonction des pressions du vérin moteur 132. Les deuxièmes clapets de retenue 155 et 156 sont placés entre les cylindres de transfert 101 et 102 et le module membranaire osmotique 107, et les troisièmes clapets de retenue 157, 158, 159 et 160 sont placés respectivement à chaque extrémité, en amont et en aval, du vérin principal de pompage de l'eau à traiter.
Description du procédé
En référence aux FIGURES 2 à 11, le procédé objet de l'invention va maintenant être décrit. Il consiste en un procédé thermo-hydraulique qui met en œuvre un fluide de travail subissant un cycle thermodynamique moteur, plus performant que le cycle classique de Rankine, et qui intègre au moins une membrane semi-perméable d'osmose inverse.
Le cycle de fonctionnement du procédé objet de l'invention comporte deux demi-cycles de quatre étapes chacun. Pour une production pseudo-continue d'eau traitée, deux réservoirs munis chacun d'une vessie interne sont mis en œuvre et agissent en opposition de phase durant chacun des deux demi-cycles.
Selon les étapes, les vessies sont alternativement connectées soit à un évaporateur à haute pression pour pressuriser le cylindre et alimenter ainsi la membrane osmotique en eau à traiter sous pression, par expansion de la vessie, soit à un condenseur à basse pression pour reconstituer le volume d'eau à traiter dans le cylindre, par contraction de la vessie.
Les échanges de chaleur sont effectués via des changements de phase du fluide de travail (évaporation et condensation) et garantissent ainsi des échanges thermiques plus efficaces, tandis que les échanges de travail lors des étapes de compression et de détente sont effectués de manière quasi-isentropique par l'intermédiaire de l'eau à traiter qui joue alors le rôle d'un piston liquide. L'énergie hydraulique ainsi produite lors de la détente du fluide de travail, peut alors permettre soit une production d'électricité via une turbine hydraulique ou encore être exploitée afin de mettre de l'eau saumâtre sous une pression suffisante pour qu'elle soit « filtrée » à travers une membrane osmotique.
La FIGURE 2 illustre la première étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pressurisation des cylindres.
Au début du demi-cycle, chaque cylindre 101 et 102 est à la pression atmosphérique Po. Le cylindre 101 est rempli d'eau à traiter 113 et la vessie 103 est vide en fluide de travail 115.En revanche, le cylindre 102 est vide en eau à traiter 114 mais sa vessie est pleine en fluide de travail 116.
Cette première étape de pressurisation a deux objectifs : - mettre le cylindre 101 à la (haute) pression de l'évaporateur 105 Ph = Pev, et - mettre le cylindre 102 à la pression (basse) du condenseur 106 Pb=Pcond.
Pour ce faire, les vannes de connexions 147 et 148 du condensateur 106 et de l'évaporateur 105 respectivement sont ouvertes ; et la vanne tiroir 149 est positionnée de telle sorte que le premier cylindre 101 rempli d'eau soit connecté à l'évaporateur 105 et que le second cylindre 102 dont la vessie est remplie de fluide de travail soit connecté au condenseur 106.
Comme le premier cylindre 101 est connecté à la membrane osmotique, cette dernière est ainsi mise à la pression Ph de l'évaporateur 105 via l'eau à traiter.
Cette pression doit être au moins égale à la pression osmotique de l'eau saumâtre concentrée, qui est fonction d'une part de sa concentration en sel obtenue en sortie de la membrane, et d'autre part fonction du taux de récupération souhaité (productivité en m3 d'eau douce par m3 d'eau saumâtre), de la salinité de l'eau à traiter en entrée et du taux de réjection de la membrane. Typiquement, le procédé selon l'invention permet par exemple de dessaler une eau saumâtre contenant 6g/l de sel avec une productivité d'eau douce de l'ordre de 0.2 à 0.6 m3/m3 d'eau saumâtre.
La FIGURE 3 illustre la deuxième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de production osmotique d'eau potable sous pression constante.
En effet, dès que les cylindres 101 et 102 sont pressurisés à la pression haute Ph et à la pression basse Pb respectivement, l'ouverture des vannes 141 et 143 du dispositif principal 130 fait circuler l'eau à traiter dans le module osmotique 107 et produit ainsi de l'eau dessalée.
Le perméatl90 (l'eau douce) est produit sous une pression transmembranaire constante qui doit être au moins égale au différentiel de pression osmotique en sortie de membrane entre le retentât 180 (l'eau saumâtre concentrée) et le perméat.
Le cylindre 101 se vide alors progressivement en eau à traiter sous l'effet de la pression de la vessie 103 qui est maintenue constante par l'évaporateur 105 : au fur et à mesure que le cylindre 101 se vide en eau à traiter via le clapet 201, sa vessie 103 augmente progressivement de volume et se remplit en vapeurs du fluide de travail 115 produites par l'évaporateur 105 chauffé par exemple par des capteurs solaires thermiques plans à 70-80°C. L'eau à traiter encore à haute pression sortant du cylindre 101 est introduite dans le vérin principal moteur 132 via la vanne 143 et induit le mouvement du piston couplé au vérin principal de pompage 131. Ce dernier rejette à la pression Po l'eau saumâtre concentrée déjà présente dans le vérin 132 avec un débit pouvant être contrôlé par le dispositif de réglage de débit 195. L'entrainement contrôlé du piston du vérin de pompage 131 permet alors d'aspirer l'eau à traiter à la pression Po par l'un des clapets inférieurs 157 et de la refouler à la pression Pb dans le cylindre 102 via le clapet 160. Le remplissage progressif du cylindre 102 en eau saumâtre 114 permet alors de refouler à la pression Pb les vapeurs du fluide de travail 116 contenues dans la vessie 104 vers le condenseur 106 où elles sont condensées et accumulées dans le réservoir 109.
Ainsi, simultanément à la production de l'eau douce 190, on exploite le potentiel de l'eau saumâtre concentrée sortant de la membrane osmotique 107 pour réaliser le pompage de l'eau à traiter de la nappe 110. L'eau à traiter ainsi pompée de la nappe permet également le refroidissement du condenseur 106. A la fin de cette deuxième étape, le volume occupé par les vapeurs de fluide de travail à la pression Ph dans la vessie 103 atteint un volume - dit de commutation - Va tel qu'il permette par une détente adiabatique de Ph à Po d'occuper tout le volume du cylindre 101. Durant cette étape, un volume Vpa d'eau douce 190 a été produit.
La FIGURE 4 illustre la troisième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pompage du fluide du condenseur vers l'évaporateur.
Lorsque le volume de la vessie 103 atteint le volume de commutation Va, la vanne de connexion 148 de l'évaporateur est alors fermée. Le cylindre lOlcontinue de se vider en eau à traiter 113 et par conséquent sa vessie 103, contenant une quantité fixe de fluide de travail 115, augmente de volume mais avec une pression variable décroissante de la pression Ph à une pression intermédiaire Pi qui correspond à la pression osmotique de l'eau à traiter. L'eau à traiter traverse alors la membrane osmotique 107 qui continue de produire de l'eau douce tant que la pression de l'eau à traiter est supérieure à sa pression osmotique. Le débit d'eau douce diminue alors progressivement jusqu'à ce que la pression intermédiaire de l'eau à traiter atteigne la pression osmotique.
Simultanément durant cette étape, le cylindre 102 se remplit complètement en eau à traiter 114 à la pression Pb grâce au mouvement du piston du vérin principal moteur 132, chassant ainsi la totalité des vapeurs du fluide de travail 116 contenu dans la vessie 104 vers le condenseur 106.
Cette étape se termine lorsque que la pression intermédiaire de l'eau à traiter 113 est égale à la pression osmotique dans le cylindre 101. Le vérin principal moteur 132 est alors en fin de course et le cylindre 102 est complètement rempli d'eau à traiter 114 pompée à la pression basse Pb. Durant cette étape un volume Vpp d'eau douce 190 a été produit.
La FIGURE 5 illustre la quatrième étape du premier demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de détente adiabatique du fluide de travail.
Lorsque la pression dans le cylindre 101 atteint la pression intermédiaire Pi de commutation, les vannes 147 du condenseur et 143 du vérin moteur 132 sont fermées, la vanne 145 du vérin moteur secondaire 121 est ouverte, la vanne 141 restant ouverte. L'eau à traiter a une pression insuffisante pour produire de l'eau potable via le module membranaire osmotique 107. En revanche, elle met en mouvement le piston du vérin secondaire moteur 121. Ce piston, dont la vitesse de déplacement peut également être contrôlée par le dispositif de réglage de débit 195 permet alors d'aspirer à la pression basse Pb le fluide de travail sous forme liquide dans le vérin de pompage secondaire 122 via le clapet 152 et de le refouler à la pression haute Ph dans l'évaporateur 105 via le clapet 153.
Le cylindre 101 se vide alors complètement de son eau à traiter 113 et les vapeurs de fluide de travail 115 contenues dans sa vessie 103 sont davantage détendues, de la pression intermédiaire Pi jusqu'à la pression Po. La vessie 103 occupe alors tout le volume du cylindre 101. De même, l'eau à traiter contenue dans le cylindre 102, en tant que fluide incompressible, passe progressivement de la pression Pb à Po en suivant celle du cylindre 101, car la vessie 104 ne contient plus de fluide de travail. A ce stade, un demi-cycle du procédé selon l'invention a été réalisé : les deux cylindres 101 et 102 sont à la pression atmosphérique Po ; le premier cylindre 102 est plein d'eau à traiter et a sa vessie 104 complètement vide et dégonflée, tandis que le second cylindre 101 a sa vessie 103 pleine de fluide de travail 115 à l'état gazeux et avec un volume nul d'eau à traiter.
Les FIGURE 6 et 7 illustrent respectivement l'évolution de la pression et du volume des vessies gonflables au cours de trois demi-cycles. Le volume d'eau à traiter contenu dans chaque cylindre est complémentaire au volume de chacune des vessies gonflables.
Durant la première étape 601 et 701, le cylindre 101 est mis à la pression « haute » Ph de l'évaporateur 105, sans gonfler la vessie 103. Le second cylindre 102 est mis à la pression « basse » Pb du condenseur 106, sans vider la vessie 104 du fluide de travail 116 qu'elle contient.
Durant la deuxième étape 602 et 702, le volume du premier cylindre 101 se vide en eau à traiter 113 : sa vessie 103 se remplit de fluide de travail 115 à pression constante Ph. Simultanément, le volume de la vessie 104 du second cylindre 102 décroît fortement au fur et à mesure que le second cylindre 102 se remplit en eau à traiter.
Durant la troisième étape 604 et 704, la vessie 104 du second cylindre 102 continue à se vider du fluide de travail 116 qu'elle contenait, à pression constante, sous l'effet du remplissage correspondant du second cylindre 102 en eau à traiter. Simultanément, la pression de la vessie 103 du premier cylindre 101 commence à décroître en même temps que le volume d'eau à traiter 113 dans le premier cylindre 101 continue de décroître.
Durant la dernière étape du premier demi-cycle, la pression de la vessie 104 du second cylindre 102 décroît tandis que son volume est nul : le second cylindre 102 est entièrement rempli d'eau à traiter 114 maintenant. En revanche, le premier cylindre 101 est alors vide en eau à traiter 113 et sa vessie 103 est pleine de fluide de travail 115.
Le demi-cycle suivant s'enchaîne en inversant les rôles et les effets par rapport au premier demi-cycle.
Le second demi-cycle va maintenant être décrit de manière détaillée.
La FIGURE 8 illustre la première étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape dépressurisation des cylindres.
Au début de ce deuxième demi-cycle, chaque cylindre 101 et 102 est à la pression atmosphérique Po. Le second cylindre 102 est rempli d'eau à traiter 114 et sa vessie 104 est vide en fluide de travail 116 tandis que le premier cylindre 101 est vide en eau à traiter 113 mais sa vessie est pleine en fluide de travail 115.
Cette première étape de pressurisation a deux objectifs : - Mettre le second cylindre 102 à la (haute) pression de l'évaporateur 105 Ph = Pev - Mettre le premier cylindre 101 à la pression (basse) du condenseur 106 Pb=Pcond
Pour ce faire, les vannes de connexions 147 et 148 du condensateur 106 et de l'évaporateur 105 respectivement sont ouvertes ; et la vanne tiroir 149 est positionnée de telle sorte que le second cylindre 102 rempli d'eau soit connecté à l'évaporateur 105 et que le premier cylindre 101 dont la vessie est remplie de fluide de travail 115 soit connecté au condenseur 106.
Comme le second cylindre 102 est connecté à la membrane osmotique 107, cette dernière est ainsi mise à la pression Ph de l'évaporateur 105 via l'eau à traiter.
La FIGURE 9 illustre la deuxième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de production osmotique d'eau potable sous pression constante.
En effet, dès que les cylindres 101 et 102 sont pressurisés à la pression basse Pb et à la pression haute Ph respectivement, l'ouverture des vannes 144 et 142 du dispositif principal 130 fait circuler l'eau à traiter dans le module osmotique 107 et produit ainsi de l'eau dessalée.
Le cylindre 102 se vide alors progressivement en eau à traiter sous l'effet de la pression de la vessie 104 qui est maintenue constante par l'évaporateur 105 : au fur et à mesure que le cylindre 102 se vide en eau à traiter via le clapet 901, sa vessie 104 augmente progressivement de volume et se remplit en vapeurs du fluide de travail 116 produites par l'évaporateur 105. L'eau à traiter encore à haute pression sortant du cylindre 102 est introduite dans le vérin principal moteur 132 via la vanne 144 et induit le mouvement du piston couplé au vérin principal de pompage 131. Ce dernier rejette à la pression Pb l'eau saumâtre concentrée déjà présente dans le vérin 132. L'entrainement par piston du vérin de pompage 131 permet alors d'aspirer l'eau à traiter à la pression Po par l'un des clapets inférieurs 158 et de le refouler à la pression Pb dans le cylindre 101 via le clapet 159. Le remplissage progressif du cylindre 101 en eau saumâtre 113 permet alors de refouler à la pression Pb les vapeurs du fluide de travail 115 contenues dans la vessie 103 vers le condenseur 106 où elles sont condensées et accumulées dans le réservoir 109. A la fin de cette deuxième étape, le volume occupé par les vapeurs de fluide de travail à la pression Ph dans la vessie 104 atteint un volume - dit de commutation - Va tel qu'il permette par une détente adiabatique de Ph à Po d'occuper tout le volume du cylindre 102. Durant cette étape un volume Vpa d'eau douce 190 a été produit.
La FIGURE 10 illustre la troisième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de pompage du fluide du condenseur vers l'évaporateur.
Lorsque le volume de la vessie 104 atteint le volume de commutation Va, la vanne de connexion 148 de l'évaporateur est alors fermée. Le cylindre 102 continue de se vider en eau à traiter 114 et par conséquent sa vessie 104, contenant une quantité fixe de fluide de travail 116, augmente de volume mais avec une pression variable décroissante de la pression Ph à une pression intermédiaire Pi qui correspond à la pression osmotique de l'eau à traiter. L'eau à traiter traverse alors la membrane osmotique 107 qui continue de produire de l'eau douce tant que la pression de l'eau à traiter est supérieure à sa pression osmotique. Le débit d'eau douce diminue alors progressivement jusqu'à ce que la pression intermédiaire de l'eau à traiter atteigne la pression osmotique.
Simultanément durant cette étape, le cylindre 101 se remplit complètement en eau à traiter 113 à la pression Pb grâce au mouvement du piston principal moteur 132, chassant ainsi la totalité des vapeurs du fluide de travail 115 contenu dans la vessie 103 vers le condenseur 106.
Cette étape se termine lorsque que la pression intermédiaire de l'eau à traiter 114 est égale à la pression osmotique dans le cylindre 102. Le vérin principal moteur 132 est alors en fin de course et le cylindre 101 est complètement rempli d'eau à traiter 113 pompée à la pression basse Pb. Durant cette étape, un volume Vpp d'eau douce 190 a été produit.
La FIGURE 11 illustre la quatrième étape du deuxième demi-cycle du procédé selon l'invention, consistant en une étape de détente adiabatique du fluide de travail.
Lorsque la pression dans le cylindre 102 atteint la pression intermédiaire Pi de commutation, les vannes 147 du condenseur et 143 du vérin moteur 132 sont fermées, la vanne 146 du vérin moteur secondaire 121 est ouverte, la vanne 141 restant ouverte. L'eau à traiter a une pression insuffisante pour traverser le module membranaire osmotique 107. En revanche, elle met en mouvement le piston du vérin secondaire moteur 121. Ce piston permet alors d'aspirer à la pression basse Pb le fluide de travail sous forme liquide dans le vérin de pompage secondaire 122 via le clapet 151 et de le refouler à la pression haute Ph dans l'évaporateur 105 via le clapet 154.
Le cylindre 102 se vide alors complètement de son eau à traiter 114 et les vapeurs de fluide de travail 116 contenues dans sa vessie 104 sont d'avantage détendues, de la pression intermédiaire Pi jusqu'à la pression Po. La vessie 104 occupe alors tout le volume du cylindre 102. De même, l'eau à traiter contenue dans le cylindre 101, en tant que fluide incompressible, passe progressivement de la pression Pb à Po en suivant celle du cylindre 102, car la vessie 103 ne contient plus de fluide de travail. A ce stade, le second demi-cycle du procédé selon l'invention a été réalisé : les deux cylindres 101 et 102 sont à la pression atmosphérique Po ; le premier cylindre 101 est à nouveau plein d'eau à traiter et a sa vessie 103 complètement vide et dégonflée, tandis que le second cylindre 102 a sa vessie 104 pleine de fluide de travail 116 à l'état gazeux et avec un volume nul d'eau à traiter.
Exemple de réalisation de l'installation
Les valeurs ci-après sont données à titre d'exemple non limitatif, et permettent de dessaler une eau saumâtre contenant 6 g/L de sel (correspondant à une pression osmotique de 4,7 bars) en utilisant le R600a comme fluide de travail. La source de chaleur utilisée est à Th=75°C correspondant par exemple à la température du fluide caloporteur en sortie d'un capteur solaire ; la température d'évaporation du fluide de travail est alors à Th=70°C ; la source froide correspondant à la température de l'eau pompée est de 15°C, impliquant une température de condensation de l'ordre de Tb=20°C. Les pressions correspondantes du cycle thermo-hydraulique sont Ph=8 bars et Pb=2,l bars.
Pendant la étape de production osmotique d'eau potable à différentiel de pression constant du procédé selon l'invention, la pression haute permet d'obtenir une différence transmembranaire de pression osmotique de 7 bars, produisant en sortie de membrane un concentrât à 9.2 g/L et une productivité d'eau douce Y de l'ordre de 0,35 m3 par m3 d'eau saumâtre.
La source de chaleur mise en œuvre dans cette réalisation particulière de l'installation selon l'invention peut être obtenue par exemple par 3m2 de capteurs solaires thermiques plans.
Considérant d'une part que les capteurs solaires thermiques plans sont soumis à un éclairement journalier moyen de 700 W pendant 8h, et avec un rendement captation de 70%, et que d'autre part les cylindres ont chacun un volume de 76 litres, chaque demi-cycle dure alors environ 3.9 minutes. Les différentes étapes qui composent les demi-cycles ont des durées inégales : la première étape dure environ 1 minute, la deuxième environ 1.1 minute et la dernière étape du demi-cycle dure environ 1.8 minute. Une telle installation permet ainsi de produire 5.5 litres d'eau douce à chaque demi-cycle, soit un débit moyen de l'ordre de 85 L/h.
Le piston du vérin principal 131 a une course de 50 cm, correspondant à des caractéristiques géométriques définies pour les vérins moteur 132 (volume=14 litres, diamètre piston = 189 mm) et de pompage 131 (volume =76 litres, diamètre piston= 440 mm). De même, le piston du vérin secondaire 120 a une course de 37 cm correspondant aux caractéristiques géométriques définies pour les vérins moteur 121 (volume=57 litres, diamètre piston=440 mm) et de pompage 122 (volume=0,4 litre, diamètre piston = 37 mm).
Les FIGURES 12 et 13 illustrent les performances du procédé et de l'installation selon l'invention, et plus particulièrement la consommation énergétique spécifique en énergie thermique par rapport à la concentration de l'eau saumâtre traitée d'une part, et la production spécifique journalière d'eau douce par rapport à la concentration de l'eau saumâtre traitée d'autre part.
Les performances estimées pour le dessalement d'une eau saumâtre à 6 g/L par cette installation conduisent à une productivité de l'ordre de 715 m3/jour d'eau douce, soit une production spécifique journalière de 240litres par m2 de capteur solaires thermiques, et une consommation énergétique spécifique en énergie thermique de 4.5 kWh thermique par m3 d'eau douce produit. Cette consommation spécifique diminue linéairement avec la concentration de l'eau saumâtre à traiter.
Ces premières évaluations démontrent le potentiel énergétique du procédé et de l'installation objets de l'invention : la consommation spécifique thermique est deux à trois plus faible que celle des procédés de dessalement par osmose inverse connus jusqu'alors et considérés comme les plus performants, dont la consommation spécifique est de l'ordre de 10 kWh thermique/m3.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims (11)

  1. Revendications
    1. Installation de purification (100) d'eau à traiter (112) caractérisée en ce qu'elle comprend : - un module de production d'énergie thermodynamique à partir d'un fluide de travail (111) et comprenant : - au moins deux cylindres de transfert (101, 102) aptes chacun à contenir à la fois l'eau à traiter (112) et le fluide de travail (111), chaque cylindre (101, 102) étant agencé pour réaliser une détente adiabatique du fluide de travail (101), - un évaporateur (105), apte à faire passer le fluide de travail (111) de l'état liquide à l'état gazeux et à pressuriser les au moins deux cylindres de transfert (101, 102), la sortie dudit évaporateur (105) étant apte à être connectée aux cylindres de transfert (101, 102), - une source de chaleur (108) connectée à l'évaporateur (105) et coopérant avec lui pour évaporer le fluide de travail, - un condenseur(106) apte à liquéfier le fluide de travail (111), l'entrée dudit condenseur (106) étant apte à être connectée aux cylindres de transfert (101, 102), - un réservoir(109) apte à stocker le fluide de travail liquide (111), - une source froide (110) connectée au condenseur (106) et coopérant avec lui pour liquéfier le fluide de travail - des moyens de conduction du fluide de travail (111) vers au moins l'évaporateur (105), le condenseur (106), le réservoir (109) et les au moins deux cylindres de transfert (101, 102), - des moyens de contrôle du débit du fluide de travail (111) et opérant sur lesdits moyens de conduction, - un module de purification de l'eau à traiter (107) apte à être connecté aux cylindres de transfert (101, 102) et à recevoir de l'eau à traiter sous pression, et - un module de récupération d'énergie coopérant à la fois avec le module de purification de l'eau à traiter (107) et le module de production d'énergie thermodynamique, ledit module de récupération d'énergie comprenant : - un premier circuit hydraulique agencé entre le réservoir (109) et l'évaporateur (105) et apte à pressuriser le fluide de travail et comprenant des moyens de conduction du fluide de travail et des moyens de contrôle du débit du fluide de travail, - un second circuit hydraulique apte à remplir au moins partiellement les au moins deux cylindres de transfert (101, 102) et comprenant des moyens de conduction de l'eau à traiter et des moyens de contrôle du débit de l'eau à traiter, - un dispositif de réglage de débit (195) pour évacuer une eau saumâtre concentrée en sortie du module de purification et pour contrôler la vitesse de déplacement des vérins moteurs en adaptant le débit à leur échappement.
  2. 2. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les au moins deux cylindres de transfert (101, 102) comprennent en outre chacun un moyen apte à isoler l'un de l'autre le fluide de travail (115, 116) et l'eau à traiter (113, 114) d'une part, et apte à ne pas empêcher l'échange de travail entre eux d'autre part. 3. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que ledit moyen consiste en Une membrane élastique (103, 104) apte à contenir le fluide de travail (115, 116). 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module de récupération d'énergie comprend en outre au moins un vérin hydraulique double-effet (120, 130) coopérant avec le premier circuit hydraulique et/ou le second circuit hydraulique. 5. Installation selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module de récupération d'énergie comprend : - un dispositif principal (130) comprenant un vérin principal moteur (132) couplé à un vérin principal de pompage (131), ledit dispositif principal (130) étant connecté au premier système hydraulique, - un dispositif secondaire (120) comprenant un vérin secondaire moteur (121) couplé à un vérin secondaire de pressurisation (122), ledit vérin secondaire moteur étant connecté au premier circuit hydraulique et ledit vérin secondaire de pressurisation étant connecté au second circuit hydraulique.
  3. 6. Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le volume du vérin principal de pompage (131) est égal au volume total de l'au moins un cylindre de transfert (101, 102). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le module de purification (107) de l'eau à traiter est un module membranaire d'osmose inverse. 8. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source froide (110) est une source d'eau à traiter et raccordée au module de récupération d'énergie. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la source de chaleur (108) comprend une pluralité de capteurs solaires thermiques.
  4. 10.Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la pluralité de capteurs solaires thermiques fonctionnent en thermosiphon.
  5. 11.Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide de travail (111) est choisi préférentiellement parmi les fluides secs ou isentropiques, de type non organique (C02, H20, NH3,...), organiques (HCFC, HFC, hydrocarbures,...) ou les mélanges azéotropiques de fluides organiques.
  6. 12. Procédé de purification d'eau à traiter à l'aide d'une installation de purification (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes et comprenant une succession de cycles comprenant les étapes suivantes : - une première étape de pressurisation initiale des au moins deux cylindres de transfert, - une seconde étape comprenant simultanément : - la production d'eau douce sous pression constante, et - le pompage de l'eau à traiter, - une troisième étape comprenant simultanément : - la détente adiabatique du fluide de travail, - la production d'eau douce, - le pompage d'eau à traiter, - une quatrième étape comprenant simultanément : - la détente adiabatique du fluide de travail, - la pressurisation du fluide de travail.
  7. 13. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'installation de purification (100) comprend exactement deux cylindres de transfert (101, 102) fonctionnant en opposition de phase sur deux cycles. 14. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première étape consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : - mise en communication du premier cylindre de transfert (101) avec l'évaporateur (105), permettant ainsi de pressuriser le premier cylindre de transfert (101) à la pression haute de l'évaporateur (105), - mise en communication du second cylindre de transfert (102) avec le condenseur (106), permettant ainsi de pressuriser le second cylindre de transfert (102) à la pression basse du condenseur(106).
  8. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la seconde étape consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : - mise en communication du premier cylindre de transfert (101) avec le vérin principal moteur (132) via le module de purification (107) de l'eau à traiter, permettant ainsi de faire circuler l'eau à traiter (113) contenue dans le premier cylindre de transfert (101) vers le module de purification (107) de l'eau à traiter -produisant ainsi l'eau potable (190) - puis vers le vérin principal moteur (132) qui entraîne le vérin principal de pompage (131), - mise en communication du second cylindre de transfert (102) avec le vérin principal de pompage (131) afin de remplir le second cylindre de transfert (102) de l'eau à traiter (114).
  9. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la troisième étape consiste à isoler le premier cylindre de transfert (101) vis-à-vis de l'évaporateur (105).
  10. 17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que la quatrième étape consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : - isolement du second cylindre de transfert (102) vis-à-vis du condenseur (106), - isolement du premier cylindre de transfert (101) vis-à-vis du vérin principal moteur (132), - mise en communication du vérin secondaire moteur (121) avec le premier cylindre de transfert (101).
  11. 18. Utilisation de l'installation (100) et/ou du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour désaliniser des eaux saumâtres de salinité inférieure à 10 g/L par osmose inverse. 19. Utilisation de l'installation (100) et/ou du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour potabiliser des eaux usées ou des eaux pluviales. 20. Utilisation de l'installation (100) et/ou du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour dépolluer des effluents industriels ou agricoles.
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