WO2016062971A1 - Dispositif de distillation thermique par énergie solaire - Google Patents

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liquid according
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Yannick Dieudonne
Julien Levrier
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Insolem
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    • Y02A20/212—Solar-powered wastewater sewage treatment, e.g. spray evaporation

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal distillation, and more particularly to the desalination of water unfit for consumption, in particular seawater.
  • the general principle is to vaporize the liquid to be distilled, for example seawater, by bringing it to a boil, in order to be able to separate the distillate on the one hand and the less volatile residues on the other hand (in the case of seawater, salt and other components that could prevent water from being drinkable). This process is therefore based on a phase change:
  • the desalination plants have four stages:
  • Multi-Effect Distillation distillation system (commonly known as MED).
  • the principle of multi-effect distillation is as follows:
  • the distiller consists of several evaporators in series.
  • the vapor from the first effect condenses at the level of the second evaporator and the energy released by the condensation serves to evaporate the sea water therein.
  • the third evaporator acts as a condenser for the vapors from the second evaporator and so on.
  • the steam of the last evaporator is used to heat the feed water of the first evaporator.
  • the number of evaporators is limited by the difference between the cold temperature of the seawater, which condenses the vapor from the last evaporator, and the boiling point of the water in the first evaporator, itself even limited by the fact that the solubility of carbonates and sulphates decreases when the temperature increases: increasing the temperature increases the scaling, which decreases the heat transfer coefficient of the exchange surfaces and can even obstruct the tubes.
  • the source of energy is often of solar origin. It is known in the state of the art patent FR2904822 which relates to a device for distilling water unfit for consumption (sea water, brackish water, or still water) to make this same drinking water.
  • the device consists of a parabola with a reflector that concentrates the rays received by the sun. Once the rays are concentrated, they reverberate through a pipe to be redirected by a plane mirror on the evaporation surface. On this surface is continuously fed water to be distilled from the tank through the pipe exposed to the sun.
  • distillation processes of the prior art are their inability to adapt to a variable energy source.
  • a second disadvantage of the solutions of the prior art is that they are designed in such a way that each stage must operate at a nominal pressure set at the time of design.
  • the object of the present invention is to present a system capable of optimizing the operation of a solar energy distillation plant.
  • a system capable of optimizing the operation of a solar energy distillation plant.
  • it concerns in its most general sense an installation for the distillation of a liquid, in particular salt water, comprising a means for capturing and / or concentrating the solar energy to a heating body immersed in a reservoir of the liquid to be evaporated and at least one heat exchanger whose inlet opens into the vaporization space and the outlet corresponds to the distillate flow characterized in that it further comprises a plurality of superimposed stages ⁇
  • a first stage having at least one liquid distribution means from a reservoir of storage on electronically activated heat exchangers according to the flow of energy entering the lower stage whose inputs are connected to the vaporization space of the lower stage and the outlets open into the outlet of the distillate,
  • the intermediate stage or stages having at least one liquid distribution means from a storage tank on one or more electronically activated heat exchangers as a function of the energy flow entering the lower stage whose inputs are connected to the vaporization space of the lower stage and the outlets open into the outlet of the distillate
  • a last intermediate stage having a liquid flow conduit in the liquid reservoir containing said heating body.
  • the system comprises a sun-receiving vessel in which a collector which absorbs the solar energy and transmits it to the water and which is connected to an intermediate condensation / vaporization stage by means of several valves whose opening and closing allow to marry the variable flow of the sun according to the progress of the day, the day in the year, the latitude and the weather Indeed, the variable geometry of the exchangers in the floors is a key point.
  • This principle makes it possible to guarantee that the activated exchange surfaces operate in the optimum speed range.
  • the system adjusts via a control algorithm the optimal surface of the exchangers that must be activated to maintain the pressure levels and guarantee a very short transition to a steady state;
  • the liquid reservoir is constituted by a closed enclosure of a height at least equal to the height of said superimposed stages, said closed enclosure being connected to the upper stage by a conduit whose inlet opens into the liquid reservoir at a level above the level of distribution of the liquid on the heat exchange of said floor.
  • This tank can also be placed under the installation and ensure the distribution at the floors by a pump system. It can also be placed above which allows a gravity independent distribution.
  • said liquid reservoir comprises a heat exchanger having branches for connecting the outlets of the heat exchangers of said superposed stages and includes within it the various tanks mentioned above in order to minimize thermal losses.
  • the heat exchanger recovering the calories of the distillate can be placed directly within the distillate reserve with a natural flow according to the thermosiphon principle.
  • the installation comprises flow control valves between the evaporation space of a stage and the heat exchanger disposed in the upper adjacent stage.
  • the use of exchangers with variable geometry allows us to save these flow control valves because we activate a heat exchanger or not in all or nothing.
  • the supply is made for all floors from the reserve tank or a distribution system with pump
  • said heating body is constituted by a body containing a material with phase change, equilibrium point around 130 - 140 ° C.
  • the installation can operate under pressure, under pressure or a combination of both, the system, in a mixed operation, is able to adjust the pressure levels to extend the autonomy of the system (night operation)
  • the installation comprises a field of heliostats oriented toward said heating body.
  • said heliostats are constituted by photovoltaic panels coated with a dichroic filter having a cutoff frequency of between 670 and 690 nanometers.
  • At least one of said stages is subdivided into several evapora-capacitor modules, connected by controlled valves.
  • This variant makes it possible to optimize the operating point of the evaporators according to the solar energy, which can vary significantly during the day.
  • the opening or closing of the controlled valves makes it possible to adapt the operation as a function of the pressure and therefore of the available solar energy.
  • FIG. 1 represents a schematic view of a simplified installation comprising a heat exchanger per stage and an intermediate stage according to a first example of the invention
  • FIG. 2 represents a schematic view of a simplified installation comprising a heat exchanger per stage and an intermediate stage according to a second example of the invention.
  • FIGS. 3 and 4 show respectively schematic and detailed views of an alternative embodiment with a gravity operation
  • FIG. 1 An embodiment of an installation according to the invention is described.
  • the installation consists of a tower comprising a superposition of evaporation chambers 1 to 3 associated with a salt water tank 4.
  • the evaporation chambers 1 to 3 are hermetically closed, with the exception of openings 11 to 13 respectively for the introduction of salt water and openings 21 to 23 for evacuation of the vapor produced in the chamber considered .
  • the lower chamber 1 is partially filled with salt water from the water tank to be distilled.
  • a body with a high absorption capacity 5 is immersed in the reservoir formed by the lower part of the chamber 1.
  • This body 5 is filled with a phase change material acting at a temperature of about 130 to 140 ° C. Absorb excess energy during energy peaks and restore energy during periods of lower energy consumption. It consists of a black volume to best absorb concentrated solar energy either by a solar concentrator 6 or directly by the energy capture field through a transparent window 7 provided on the input face of the chamber 1.
  • the upper chamber 3 is connected to the salt water reservoir 4 by a supply duct 33 passing through the opening 13.
  • This duct 33 feeds a spray nozzle 43 disposed above a heat exchanger 63.
  • This duct is fed either by the water of the reserve 4 or by a recirculation circuit drawing water accumulated at the bottom of the chamber in question.
  • a valve 53 makes it possible to regulate the flow rate of salt water supply.
  • the salt water flowing from the nozzles 43 comes into contact with the hot surfaces of the heat exchanger 63 and is partially vaporized in the upper chamber 3.
  • the vapor is discharged through a vent 73 equipped with a valve to be decondensed in the water. exchanger 8.
  • the heat exchanger 63 is fed by a conduit 83 opening into the evaporation space of the chamber 2 disposed just below.
  • the outlet of the exchanger 63 opens into an evacuation duct 93 opening itself into a heat exchanger 8 immersed in the salt water reservoir 4.
  • a valve makes it possible to maintain a set pressure level in the exchanger 63 during the condensation of the steam
  • the intermediate chamber 2 - and all intermediate chambers in case of construction more than three floors, have the same configuration as the upper chamber 3. It is fed by a conduit passing through the opening 12, and feeding a nozzle 42. This duct is fed either by the water of the reserve 4 or by a recirculation circuit drawing water accumulated at the bottom of the chamber in question. The water flows on a second heat exchanger 62 and partially evaporates. The vapor escapes through the opening 22 to feed by pressure the duct 83 supplying the heat exchanger 63. A valve placed on the conduit 83 allows the vapor to escape.
  • the outlet of the exchanger 62 opens into a discharge conduit 92 opening itself into a heat exchanger 8 immersed in the salt water reservoir 4 with the presence of the pressure regulating valve in the exchanger.
  • the evaporation space of the chamber 1 opens into the duct 82 which supplies the heat exchanger 62 of the intermediate chamber 2.
  • the concentrator 6 collects the solar energy supplied by a field of heliostats composed of mobile mirrors controlled by a sun tracking system.
  • This heliostatic field makes the light rays converge towards the same point, or the concentrator 6 is optionally placed, thereby concentrating the light on the heating body 5 with a high energy.
  • the latter has a structured surface state so that the convection phenomena cause a natural stirring on the surface of the heating body 5 and thus slow down the phenomenon of crystallization of the mineral constituents .
  • the heating body 5 may be coated with polytetrafluoroethylene (PTFE) or a non-stick material in order to slow down the scale-forming phenomenon which may reduce the efficiency of the heat transfer and shorten the life of the heating body 5.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • An installation according to the invention advantageously comprises between 4 and 20 stages.
  • the control of the plant is optimized by adjusting the flow rates by acting on the steam exhaust valves, the fresh water inlet, the activation of the appropriate exchange surfaces and the regulation of the pressure levels in the rooms.
  • An advantageous solution consists in providing a decreasing volume of the evaporation chambers 1 to 3.
  • FIG. 2 represents an alternative embodiment in which the salt water reserve (4) surrounds the evaporation chambers (1 to 3), which makes it possible to better control the thermal behavior of the installation.
  • This embodiment also provides insoluble gas evacuation conduits 90, 91, opening into a manifold 92 ensuring the evacuation of insoluble gases such as nitrogen or oxygen.
  • the ambient pressure in the chambers has a decreasing gradient from the lower chamber 1 to the upper chamber 3.
  • the pressure P 0 of the lower chamber 1 is the highest.
  • the pressure Pi inside the juxtaposed chamber 2 is less than the pressure P 0 pressure P 3 to the interior of the juxtaposed chamber 3 is less than pressure
  • Figures 3 and 4 show respectively schematic and detailed views of an alternative embodiment with a gravity operation.
  • the installation consists of a superposition of evaporation chambers comprising a first chamber 1 having a window 7 for access to solar energy, surmounted by two intermediate chambers 2, 200 and a last chamber 3.
  • a reservoir of salt water 4 is located above this stack of evaporation chambers.
  • Each chamber has a safety valve 101, 102, 1202, 103 and 104 for releasing the steam in case of overpressure, as well as controlled valves 201, 211, 221; 202, 212; 231; 241.
  • the exchangers are constituted by conventional tubular exchangers, plate exchangers or coaxial exchangers.
  • the invention naturally also functions with other types of exchangers with spraying a seawater film on tubes or by immersing plates in which steam is circulated in a reduced volume of seawater. .
  • This cutting also extends the autonomy of the system by adjusting the opening and closing pressures of the various valves.
  • the invention makes it possible to take advantage of the energy reserve represented by the energy receiving tank as well as that represented by the volume of distillate at a temperature higher than the temperature of the seawater.
  • Intelligent management keeps track of changing water levels, temperatures and pressures while limiting the number of sensors required to initiate re-fill processes and adjust the flow of water in the tank depending on the energy flow available to maintain smooth operation.
  • the installation comprises a brine circulation circuit with collection ducts 301 to 304 and a connecting column 300 opening into a brine discharge point 305.
  • Figures 5 and 6 show respectively schematic and detailed views of an alternative embodiment with a positive pressure operation.
  • the receiving tank 1 provided with a window 7 is placed above the intermediate chambers 2, 200, 3, and the chamber 405 constituting the distillate reserve, as well as the chamber 507 constituting the salt water reserve.
  • a circulation pump 450 ensures the overpressure of the fluid.
  • the chambers 2, 200, 3 comprise plate exchangers.
  • the pressure levels can be gradually lowered and accompany the transition from daily overpressure operation to nighttime operation under pressure.
  • a computer controlled by a program of intelligent control of the opening of the valves and the regulation of the filling flow rate aims to:
  • the distillate extracted from a stage has a temperature and a pressure higher than those of the stage from which it is derived. In order to avoid any vaporization in the distillate tank, it is customary to pass the distillate through the following stages (at a lower pressure) so as to reduce it to pressure and extract the sensible calories.
  • the system can furthermore provide a system for heating the salt water reservoir by natural circulation (thermosiphon) with the condensate tank whose temperature is higher than that of the incoming seawater.

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Abstract

Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, comportant un moyen de concentration de l'énergie solaire (6) vers un corps de chauffe (5) plongé dans un réservoir du liquide à évaporer, ainsi qu'au moins un étage d'échangeur de chaleur (62, 63) dont les entrées débouchent dans l'espace de vaporisation et les sorties correspondent à l'écoulement du distillat incluant en outre une pluralité d'étages superposés 1 à 3, Les étages (2) et (3), chacun présentant au moins un moyen de distribution du liquide (42, 43) provenant d'un réservoir de stockage (4) sur un échangeur de chaleur (62, 63) dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillat le dernier étage intermédiaire (1) présentant un conduit (9) d'écoulement de liquide dans le réservoir de liquide contenant ledit corps de chauffe (5).

Description

DISPOSITIF DE DISTILLATION THERMIQUE PAR ENERGIE SOLAIRE
Domaine de 1 ' invention La présente invention concerne le domaine de la distillation thermique, et plus particulièrement du dessalement d'eau impropre à la consommation, notamment de l'eau de mer.
Le principe général consiste à mettre sous forme de vapeur le liquide à distiller, par exemple l'eau de mer, en le portant à ébullition, pour pouvoir séparer le distillât d'une part et les résidus moins volatiles d'autre part (dans le cas de l'eau de mer, le sel et des autres composants qui pourraient empêcher l'eau d'être potable). Ce procédé repose donc sur un changement de phase :
- L'eau de mer est introduite dans un récipient chauffé. A partir de l' ébullition celle-ci se transforme en vapeur et remonte dans une colonne d'air. Les molécules d'eau se vaporisent, se séparant ainsi des ions chlorure Cl- et sodium Na+. L'eau circule ensuite dans un tube réfrigérant pour repasser à l'état liquide et tombe sous la forme de gouttelettes dans un récipient de recueil, formant ainsi un distillât d'eau pure. Ainsi, l'eau est séparée du sel et des autres microbes qui sont restés dans la solution initiale.
- Les installations de dessalement comportent quatre étapes :
• une prise d'eau de mer avec une pompe et une filtration grossière,
• un prétraitement avec une filtration plus fine, l'addition de composés biocides et de produits anti-tarte
· le procédé de dessalement lui-même,
• le post-traitement avec une éventuelle reminéralisation de l'eau produite.
A l'issue de ces quatre étapes, l'eau de mer est rendue potable ou utilisable industriellement. Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique deux procédés de dessalement thermique : le procédé de distillation à détentes étagées (« Multi-Stage Flash distillation » dont l'abréviation communément admise MSF est l'acronyme de l'expression anglaise) et le procédé de distillation à multiples effets ( « Multi-Effect distillation » dont l'abréviation communément admise MED est l'acronyme de l'expression anglaise).
Le principe de la distillation à détentes étagées (MSF) est le suivant: L'eau de mer est chauffée à 120°C dans des conduits. Elle est ensuite envoyée dans un récipient à faible pression. L'eau est alors immédiatement transformée en vapeur par détente rapide. La vapeur résultante entre au contact des premiers conduits dans lesquels passe l'eau de mer. Ces conduits, froids, vont alors provoquer la condensation de cette vapeur qui est récupérée à l'état liquide. L'eau qui ne se sera pas évaporée dans ce récipient, sera récupérée puis transférée dans un deuxième compartiment du même type ayant une pression moindre par rapport au premier. L'opération est alors répétée plusieurs fois à la suite. Les tuyaux en serpentin passant par chaque compartiment ont deux fonctions, condenser la vapeur obtenue grâce à la différence de pression et préchauffer (grâce à cette même vapeur).
Le principe de la distillation à multiples effets (MED) est le suivant : Le distillateur est constitué de plusieurs évaporateurs en série. La vapeur issue du premier effet se condense au niveau du second évaporateur et l'énergie libérée par la condensation sert à évaporer l'eau de mer qui s'y trouve .
Le troisième évaporateur joue le rôle de condenseur pour les vapeurs issues du second évaporateur et ainsi de suite. La vapeur du dernier évaporateur sert à réchauffer l'eau d'alimentation du premier évaporateur.
Le nombre d ' évaporateurs est limité par l'écart entre la température froide de l'eau de mer, qui permet de condenser la vapeur issue du dernier évaporateur, et la température d'ébullition de l'eau dans le premier évaporateur, elle-même limitée par le fait que la solubilité des carbonates et des sulfates diminue lorsque la température augmente : en augmentant la température, on augmente l'entartrage, ce qui diminue le coefficient de transfert thermique des surfaces d'échange et peut aller jusqu'à obstruer les tubes. Pour lutter contre l'entartrage, on peut opérer un prétraitement de l'eau de mer par ajout de polyphosphates ou d'acide sulfurique, ou encore de petites boules d' éponge, récupérées en sortie, qui nettoient en continu les tubes et les réservoirs ou encore de saumure des germes cristallins sur lesquels se dépose préférentiellement le tartre (méthode dite de germination) .
La source d'énergie est souvent d'origine solaire. On connaît dans l'état de la technique le brevet FR2904822 qui concerne un dispositif pour distiller l'eau impropre à la consommation (eau de mer, eau saumâtre, ou encore eau stagnante) pour rendre cette même eau potable. Le dispositif est constitué d'une parabole dotée d'un réflecteur qui concentre les rayons reçus par le soleil. Les rayons une fois concentrés se répercutent au travers d'un tuyau pour être redirigés par un miroir plan sur la surface d ' évaporation . Sur cette surface est acheminée continuellement de l'eau à distiller en provenance de la cuve en passant par le tuyau exposé au soleil.
On connaît aussi des solutions d' évaporateurs décrites dans l'article « Seawater desalination using renewable energy sources » paru dans la revue « progress in energy and combustion science, Elsevier Science Publisher, vol. 31 n° 3,2005, page 242-281, ISSN : 0361285 ; ou dans le brevet japonais JP S5676289 ou le brevet français FR2261796.
Ces documents de l'art antérieur divulguent des évaporateurs verticaux à étages multiples superposés. Les étages de 1 ' évaporateur sont munis de tubes de transfert de chaleur pour générer de la vapeur à partir du liquide atomisé. Le liquide qui n'est pas vaporisé est recueilli en-dessous des tubes dans un puits, sur une cloison qui délimite la chambre d ' évaporation d'un étage inférieur suivant.
Inconvénient des solutions de l'art antérieur
L'inconvénient majeur des procédés de distillation de l'art antérieur est leur incapacité à s'adapter à une source d'énergie variable. Un deuxième inconvénient des solutions de l'art antérieur est qu'elles sont conçues de telle manière que chaque étage doive fonctionner à une pression nominale fixée au moment de la conception
Un autre inconvénient des solutions de l'art antérieur fonctionnant avec de l'énergie solaire en appoint des énergies conventionnelles est qu'elles utilisent un fluide caloporteur .
Solution apportée par 1 ' invention
L'objet de la présente invention est de présenter un système capable d'optimiser le fonctionnement d'installation de distillation par énergie solaire. A cet effet, elle concerne selon son acception la plus générale une installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, comportant un moyen de captation et ou de concentration de l'énergie solaire vers un corps de chauffe plongé dans un réservoir du liquide à évaporer ainsi qu'au moins un échangeur de chaleur dont l'entrée débouche dans l'espace de vaporisation et la sortie correspond à l'écoulement du distillât caractérisée en ce qu'il comporte en outre une pluralité d'étages superposés, · un premier étage présentant au moins un moyen de distribution du liquide provenant d'un réservoir de stockage sur des échangeurs de chaleur activés électroniquement en fonction du flux d'énergie entrant dans l'étage inférieur dont les entrées sont reliées à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et les sorties débouchent dans la sortie d'écoulement du distillât,
• le ou les étages intermédiaires présentant au moins un moyen de distribution du liquide provenant d'un réservoir de stockage sur un ou plusieurs échangeurs de chaleur activés électroniquement en fonction du flux d'énergie entrant dans l'étage inférieur dont les entrées sont reliées à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et les sorties débouchent dans la sortie d'écoulement du distillât
• un dernier étage intermédiaire présentant un conduit d'écoulement de liquide dans le réservoir de liquide contenant ledit corps de chauffe.
Le système comporte une cuve réceptrice des rayons solaires dans laquelle se trouve plongé un collecteur qui absorbe l'énergie solaire et la transmet à l'eau et qui est connectée à un étage de condensation/vaporisation intermédiaire au moyen de plusieurs valves dont les cycles d'ouverture et de fermeture permettent d'épouser le flux variable du soleil en fonction de l'avancement de la journée, du jour dans l'année, de la latitude et de la météo En effet, la géométrie variable des échangeurs dans les étages est un point clé. En effet, ce principe permet de garantir que les surfaces d'échange activées fonctionnent dans la plage de régime optimal. Le système ajuste via un algorithme de contrôle la surface optimale des échangeurs qu'il faut activer pour maintenir les niveaux de pression et garantir une transition très courte vers un régime permanent ;
De préférence, le réservoir de liquide est constitué par une enceinte fermée d'une hauteur au moins égale à la hauteur desdits étages superposés, ladite enceinte fermée étant reliée à l'étage supérieur par un conduit dont l'entrée débouche dans le réservoir de liquide à un niveau supérieur au niveau de distribution du liquide sur l'échange de chaleur dudit étage. Ce réservoir peut aussi être placé sous l'installation et assurer la distribution au niveau des étages par un système de pompe. Il peut également être placé au dessus ce qui permet une distribution gravitaire autonome.
Avantageusement, ledit réservoir de liquide comporte un échangeur de chaleur présentant des dérivations pour le raccordement des sorties des échangeurs de chaleur desdits étages superposés et englobe en son sein les différentes cuves susmentionnées pour minimiser les pertes thermiques. Dans le cas où le réservoir est placé au-dessus de l'installation, on peut placer l' échangeur de chaleur récupérant les calories du distillât directement au sein de la réserve de distillât avec un écoulement naturel selon le principe du thermosiphon
Selon une variante préférée, l'installation comporte des vannes de réglage du débit entre l'espace d'évaporation d'un étage et 1 'échangeur de chaleur disposé dans l'étage adjacent supérieur. L'utilisation des échangeurs à géométrie variable nous permet de faire l'économie de ces vannes de réglage de débit puisque nous activons un échangeur ou pas en tout ou rien.
L'alimentation se fait pour tous les étages depuis la cuve de réserve ou un système de distribution avec pompe
De préférence, ledit corps de chauffe est constitué par un corps contenant un matériau à changement de phase, point d'équilibre autour de 130 - 140 ° C. L'installation peut fonctionner en sous pression, en sur pression ou une combinaison des deux, le système, dans un fonctionnement mixte, est capable d'ajuster les niveaux de pression afin d'étendre l'autonomie du système (fonctionnement de nuit) Selon une variante de mise en œuvre avantageuse, l'installation comprend un champ d'héliostats orientés en direction dudit corps de chauffe.
Avantageusement, lesdits héliostats sont constitués par des panneaux photovoltaïques revêtus d'un filtre dichroïque présentant une fréquence de coupure comprise entre 670 et 690 nanomètres .
Selon une autre variante, au moins un desdits étages est subdivisé en plusieurs modules évapora-condensateurs, reliés par des vannes pilotées.
Cette variante permet d'optimiser le point de fonctionnement des évaporateurs en fonction de l'énergie solaire, qui peut varier de manière importante au cours de la journée. L'ouverture ou la fermeture des vannes pilotées permet d'adapter le fonctionnement en fonction de la pression et donc de l'énergie solaire disponible.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation de 1 ' invention
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant à un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés où :
- la figure 1 représente une vue schématique d'une installation simplifiée comprenant un échangeur par étage et un étage intermédiaire selon un premier exemple de l'invention
- la figure 2 représente une vue schématique d'une installation simplifiée comprenant un échangeur par étage et un étage intermédiaire selon un deuxième exemple de l'invention
les figures 3 et 4 représentent des vues respectivement schématique et détaillée d'une variante de réalisation avec un fonctionnement gravitaire
- les figures 5 et 6 représentent des vues d'une variante de réalisation avec un fonctionnement en surpression avec différents types d'échangeurs . En référence à la figure 1, il est décrit un exemple de réalisation d'une installation selon l'invention. L'installation est constituée par une tour comprenant une superposition de chambres d'évaporation 1 à 3 associés à un réservoir d'eau salée 4.
Les chambres d'évaporation 1 à 3 sont fermées hermétiquement, à l'exception d'ouvertures respectivement 11 à 13 pour l'introduction d'eau salée et d'ouvertures 21 à 23 pour l'évacuation de la vapeur produit dans la chambre considérée.
La chambre inférieure 1 est partiellement remplie d'eau salée, provenant du réservoir d'eau à distiller. Un corps à forte capacité d'absorption 5 est plongé dans le réservoir formé par la partie inférieure de la chambre 1. Ce corps 5 est rempli d'un matériau à changement de phase agissant à une température d'environ 130 à 140°C afin d'absorber l'énergie en excès pendant les pics d'apport énergétique et la restituer pendant les périodes de moindre apport énergétique. Il est constitué par un volume noir pour absorber au mieux l'énergie solaire concentrée soit par un concentrateur solaire 6 soit directement par le champ de captation d'énergie grâce à une fenêtre transparente 7 prévue sur la face d'entrée de la chambre 1.
La chambre supérieure 3 est reliée à la réserve d'eau salée 4 par un conduit d'alimentation 33 traversant l'ouverture 13. Ce conduit 33 alimente une buse de pulvérisation 43 disposée au-dessus d'un échangeur thermique 63. Ce conduit est alimenté soit par l'eau de la réserve 4 soit par un circuit de recirculation puisant de l'eau accumulée au bas de la chambre considérée. Une vanne 53 permet de régler le débit d'alimentation en eau salée.
L'eau salée s 'écoulant des buses 43 vient en contact des surfaces chaudes de l' échangeur thermique 63 et est partiellement vaporisée dans la chambre supérieure 3. La vapeur est évacuée par un évent 73 équipé d'une vanne pour être décondensée dans l' échangeur 8. L'échangeur thermique 63 est alimenté par un conduit 83 débouchant dans l'espace d'évaporation de la chambre 2 disposée juste en-dessous. La sortie de l'échangeur 63 débouche dans un conduit d'évacuation 93 débouchant lui-même dans un échangeur thermique 8 plongé dans la réserve d'eau salée 4 . Une vanne permet de maintenir un niveau de pression de consigne dans l'échangeur 63 pendant la condensation de la vapeur
La chambre intermédiaire 2 — et toutes les chambres intermédiaires en cas de construction à plus de trois étages, présentent la même configuration que la chambre supérieure 3 . Elle est alimentée par un conduit traversant l'ouverture 12 , et alimentant une buse 42 . Ce conduit est alimenté soit par l'eau de la réserve 4 soit par un circuit de recirculation puisant de l'eau accumulée au bas de la chambre considérée. L'eau ruisselle sur un deuxième échangeur thermique 62 et s'évapore partiellement. La vapeur s'échappe par l'ouverture 22 pour alimenter par la pression le conduit 83 alimentant l'échangeur thermique 63 . Une vanne placée sur le conduit 83 permet de laisser s'échapper la vapeur.
La sortie de l'échangeur 62 débouche dans un conduit d'évacuation 92 débouchant lui-même dans un échangeur thermique 8 plongé dans la réserve d'eau salée 4 avec présence de la vanne de régulation de la pression dans l'échangeur.
L'espace d'évaporation de la chambre 1 débouche dans le conduit 82 qui alimente l'échangeur thermique 62 de la chambre intermédiaire 2 .
Afin d'améliorer le rendement de l'installation, le concentrateur 6 recueille l'énergie solaire fournie par un champ d'héliostats composés de miroirs mobiles commandés par un système de suivi du soleil. Ce champ d'héliostats fait converger les rayons lumineux vers un même point, ou est éventuellement placé le concentrateur 6 concentrant ainsi la lumière sur le corps chauffant 5 avec une énergie élevée. Pour réduire la vitesse de formation de sel sur le corps chauffant 5, celui-ci présente un état de surface structuré afin que les phénomènes de convection provoquent une agitation naturelle à la surface du corps chauffant 5 et ralentissent ainsi le phénomène de cristallisation des constituants minéraux.
Le corps chauffant 5 peut être revêtu de polytétrafluoroéthylène (PTFE) ou d'un matériau antiadhésif afin de freiner le phénomène de formation de tartre susceptible de réduire l'efficacité du transfert thermique et diminuer la durée de vie du corps chauffant 5.
Une installation selon l'invention comporte avantageusement entre 4 et 20 étages. Le pilotage de l'installation est optimisé par l'ajustage des débits en agissant sur les vannes d'échappement de vapeur, d'admission d'eau fraîche, l'activation des surfaces d'échange adéquates et la régulation des niveaux de pression dans les chambres.
Une solution avantageuse consiste à prévoir un volume décroissant des chambres d'évaporation 1 à 3.
La figure 2 représente une alternative de réalisation où la réserve d'eau salée (4) entoure les chambres d'évaporation (1 à 3 ) , ce qui permet de mieux maîtriser le comportement thermique de l'installation.
Cet exemple de réalisation prévoit par ailleurs des conduits d'évacuation des gaz non solubles 90, 91, débouchant dans un collecteur 92 assurant l'évacuation des gaz non solubles tels que l'azote ou l'oxygène.
La pression ambiante dans les chambres présente un gradient décroissant depuis la chambre 1 inférieure jusqu'à la chambre supérieure 3. La pression P0 de la chambre inférieure 1 est la plus élevée. La pression Pi à l'intérieur de la chambre juxtaposée 2 est inférieure à la pression P0 pression P3 à l'intérieur de la chambre juxtaposée 3 est inférieure à pression
Variante de réalisation avec un fonctionnement gravitaire
Les figures 3 et 4 représentent des vues respectivement schématique et détaillée d'une variante de réalisation avec un fonctionnement gravitaire.
L'installation est constituée par une superposition de chambres d'évaporation comprenant une première chambre 1 présentant un hublot 7 pour l'accès de l'énergie solaire, surmontée de deux chambres intermédiaires 2, 200 et une dernière chambre 3. Un réservoir d'eau salée 4 est situé au-dessus de cet empilement de chambres d'évaporation.
Chaque chambre présente une vanne de sécurité 101, 102, 1202, 103 et 104 permettant de libérer la vapeur en cas de surpression, ainsi que des vannes pilotées 201, 211, 221 ; 202, 212 ; 231 ; 241.
Les échangeurs sont constitués par des échangeurs tubulaires classiques, des échangeurs à plaques ou des échangeurs coaxiaux. L'invention fonctionne naturellement également avec d'autres types d' échangeurs avec pulvérisation d'un film d'eau de mer sur des tubes ou par immersion de plaques dans lesquelles on fait circuler de la vapeur dans un volume réduit d'eau de mer.
Le fait de « découper » chaque étage en sous échangeurs de taille réduite permet d'obtenir une adaptabilité à la quantité d'énergie disponible à chaque instant.
Ce découpage permet également d'étendre l'autonomie du système en ajustant les pressions d'ouverture et de fermeture des différentes valves.
Cela permet notamment d'assurer un fonctionnement nocturne si l'ensoleillement a été suffisant pour permettre de stocker de l'énergie au-delà de la consommation journalière. Ce procédé fonctionne en diminuant progressivement les niveaux de pression dans tous les étages pour permettre la vaporisation.
L'invention permet de mettre à profit la réserve d'énergie que représente la cuve réceptrice d'énergie ainsi que celle que représente le volume de distillât à une température supérieure à la température de l'eau de mer.
Une gestion intelligente permet de suivre l'évolution des niveaux d'eau, des températures et des pressions tout en limitant le nombre de capteurs nécessaires afin d'enclencher les processus de ré-remplissage et d'ajuster les débits d'eau de la réserve en fonction du flux d'énergie disponible pour maintenir un fonctionnement lisse.
L'installation comprend un circuit de circulation de la saumure avec des conduits de recueil 301 à 304 et une colonne de liaison 300 débouchant dans un point 305 de rejet de saumure.
Elle comprend aussi des conduits de circulation du distillât 401 à 404 débouchant dans une colonne de liaison 400 alimentant une réserve de distillât 405.
La vapeur circule dans des serpentins 501 à 507 débouchant par des conduits 511 à 517.
Variante de réalisation avec un fonctionnement en surpression
Les figures 5 et 6 représentent des vues respectivement schématique et détaillée d'une variante de réalisation avec un fonctionnement en surpression.
La cuve réceptrice 1 munie d'un hublot 7 est placé au-dessus des chambres intermédiaires 2, 200, 3, et la chambre 405 constituant la réserve de distillât, ainsi que la chambre 507 constituant la réserve d'eau salée.
Une pompe de circulation 450 assure la mise en surpression du fluide.
Dans la variante illustrée sur la figure 6, les chambres 2, 200, 3 comprennent des échangeurs à plaques.
Dans un fonctionnement mixte du système, on peut redescendre les niveaux de pression progressivement et accompagner la transition d'un fonctionnement journalier en surpression à un fonctionnement de nuit en sous pression.
Un calculateur commandé par un programme de contrôle intelligent de l'ouverture des valves et de régulation du débit de remplissage a pour but de :
1. Garantir une pression et une quantité suffisantes de vapeur dans une enceinte avant d'actionner une valve de sortie pour lisser les flux
2. Gérer le ré-remplissage de manière à distribuer une
eau la plus chaude possible et à un débit assurant une continuité de fonctionnement.
Le distillât extrait d'un étage a une température et une pression supérieures à celles de l'étage dont il est issu. Afin d'éviter toute vaporisation dans la cuve de distillât, il est d'usage de faire transiter le distillât par les étages suivants (à pression moindre) de manière à le faire redescendre en pression et en extraire les calories sensibles.
Le système peut en outre prévoir un système de réchauffe de la réserve d'eau salée par circulation naturelle (thermosiphon) avec la cuve de condensât dont la température est plus élevée que celle de l'eau de mer entrante

Claims

Revendications
1 - Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, comportant un corps de chauffe 5 plongé dans un réservoir du liquide à évaporer, ainsi qu'au moins un échangeur de chaleur 62, 63 dont l'entrée est régulée au moyen d'au moins une valve commandée électroniquement de manière à ce que le cycle d'ouverture et de fermeture permette d'épouser le flux d'intensité variable du soleil en fonction de l'avancement de la journée , du jour dans l'année, de la latitude du lieu et de la météo et qui débouche dans l'espace de vaporisation et la sortie correspond à l'écoulement du distillât caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une pluralité d'étages superposés,
• le premier étage 3 présentant au moins un moyen 43 de distribution du liquide provenant d'un réservoir de stockage 4 ou alimenté directement par une pompe de distribution, sur un échangeur de chaleur 63 dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur 2 et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillât ,
• le ou les étages intermédiaires 2 présentant au moins un moyen de distribution du liquide 62 provenant d'un réservoir de stockage ou d'un système de pompage sur un échangeur de chaleur dont l'entrée est reliée à l'espace de vaporisation de l'étage inférieur et la sortie débouche dans la sortie d'écoulement du distillât
• le dernier étage intermédiaire 1 présentant un conduit d'écoulement de liquide dans le réservoir de liquide contenant ledit corps de chauffe.
2 - Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, selon la revendication 1 caractérisé comporte un moyen de concentration de l'énergie solaire 6 vers un corps de chauffe 5 plongé dans un réservoir du liquide à évaporer 3 - Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, selon la revendication 1 caractérisé en fonctionnement gravitaire en ce que le premier étage 3 est positionné au-dessus des étages intermédiaires 2 et en ce que le dernier étage 1 est situé au-dessous des étages intermédiaires 2
4 - Installation pour la distillation d'un liquide, notamment d'eau salée, selon la revendication 1 caractérisé en fonctionnement non gravitaire en ce que les cuves 1,2 et 3 puissent être juxtaposées ou placées les unes à côté des autres, une pompe de circulation supplée au mouvement naturel du liquide par gravitation.
5 - Installation pour la distillation d'un liquide selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que le réservoir de liquide est constitué par une enceinte fermée d'une hauteur au moins égale à la hauteur desdits étages superposés, ladite enceinte fermée étant reliée à l'étage supérieur par un conduit dont l'entrée débouche dans le réservoir de liquide à un niveau supérieur au niveau de distribution du liquide sur l'échangeur de chaleur dudit étage supérieur.
6 - Installation pour la distillation d'un liquide selon la revendication 1 ou 4 caractérisée en ce que le réservoir de liquide est constitué par une enceinte fermée située soit au-dessus des autres cuves soit à coté, soit en dessous, ladite enceinte fermée étant reliée aux différents étages par un conduit dont l'entrée débouche dans le réservoir de liquide sur l'échangeur de chaleur dudit étage.
7 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes en ce que ledit réservoir de liquide comporte un échangeur de chaleur présentant des dérivations pour le raccordement des sorties des échangeurs de chaleur desdits étages superposés. 8 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des vannes de régulation de débit contrôlées électroniquement entre l'espace d ' évaporation d'un étage et l'échangeur de chaleur disposé dans l'étage adjacent supérieur .
9 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que les conduits d'alimentation desdits moyens de distribution de liquide sont munis d'une vanne de commande pour le réglage du débit.
10 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que ledit corps de chauffe est constitué par un corps contenant un matériau à changement de phase intervenant à un point d'équilibre situé entre 130 et 140 ° C. 11 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le moyen de concentration 6 recueille l'énergie solaire fournie par un champ d'héliostats composés de miroirs mobiles commandés par un système de suivi du soleil.
12 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le corps chauffant 5 présente un état de surface structuré .
13 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comprend un champ d'héliostats orientés en direction dudit corps de chauffe. 14 - Installation pour la distillation d'un liquide selon la revendication précédente caractérisée en ce que lesdits héliostats sont constitués par des panneaux photovoltaïques revêtus d'un filtre dichroïque présentant une fréquence de coupure comprise entre 670 et 690 nanomètres.
15 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'au moins un desdits étages est subdivisés en plusieurs modules évapora-condensateurs, reliés par des vannes pilotées.
16 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que la pression d'un étage et différente de la pression de l'étage adjacent pour permettre les échanges thermiques.
17 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que les niveaux de pression sont ajustés progressivement pour accompagner la transition d'un fonctionnement journalier en surpression à un fonctionnement de nuit en sous pression.
18 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un calculateur exécutant un programme de contrôle de l'ouverture des valves et de régulation du débit de remplissage assurant une pression et une quantité suffisantes de vapeur dans une enceinte avant d'actionner une valve de sortie pour lisser les flux et la gestion de ré-remplissage de manière à distribuer une eau la plus chaude possible et à un débit assurant une continuité de fonctionnement.
19 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le distillât extrait d'un étage a une température et une pression supérieures à celles de l'étage dont il est issu. 20 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce que le distillât transite par les étages suivants à pression moindre de manière à le faire redescendre en pression et en extraire les calories sensibles.
21 - Installation pour la distillation d'un liquide selon l'une au moins des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte un système de réchauffe de la réserve d'eau salée par circulation naturelle (thermosiphon) avec la cuve de condensât dont la température est plus élevée que celle de l'eau de mer entrante.
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