Procédé et dispositif pour la production d'eau par condensation de l'humidité présente dans l'air atmosphérique.

La présente invention se rapporte à un procédé de production d'eau.

L'absence d'eau constitue dans certaines régions du monde un problème grave. La seule solution généralement envisagée est le transport d'une région où cette eau est disponible vers la région où l'eau n'est pas disponible. Mais ce transport exige une infrastructure lourde, qui n'est pas toujours présente. Bon nombre d'activité et de consommateurs se trouvent à des endroits où l'eau n'est pas distribué. D'autre part, beaucoup de régions dans le monde restent inhabitées à cause du manque d'eau.

Pour satisfaire à ces besoins, pour fournir de l'eau à ce type de consommateurs ou pour peupler certaines régions désertiques, la présente invention a pour objet un procédé de production d'eau à partir de l'air atmosphérique. II est bien connu que l'air atmosphérique contient de l'humidité et qu'en condensant cette humidité on pourra produire de l'eau. Les conditions définies par les données climatiques (température de l'air, degré d'humidité de l'air, pression atmosphérique etc ..) ne rendent cette condensation toutefois pas économiquement et/ou industriellement faisable.

La présente invention propose un procédé de production d'eau basé sur la condensation de l'humidité présente dans l'air à des conditions industrielles et économiques acceptables.

Il a déjà été proposé d'utiliser une tour de refroidissement à cet effet. Toutefois, faire passer l'air à travers une tour de refroidissement ne donne pas de rendement économiquement acceptable. II a été trouvé d'une façon surprenante qu'on peut utiliser économiquement une tour de refroidissement pour la condensation de l'humidité présente dans l'air atmosphérique en faisant passer l'air à travers le corps de garnissage de la tour et en refroidissant ce corps à l'aide d'eau froide, si l'air est préalablement refroidi dans un échangeur de chaleur. Suivant un mode avantageux de l'invention cet échangeur fera fonction de récupérateur et sera parcouru dans sa branche froide par de l'air au moins partiellement déshumidifié sortant de la tour de refroidissement.

Suivant un autre mode de mise en application de l'invention on peut utiliser en combinaison avec l'échangeur-récupérateur une unité de condensation différente de la tour de refroidissement, par exemple une unité de condensation sans contact direct entre l'eau froide et l'air à déshumidifier, tel par exemple un ensemble de tubes à ailettes.

Dans les deux cas (tour de refroidissement et dispositif comportant des tubes à ailettes) il faut disposer d'une source froide.

Celle-ci peut être par exemple directement où indirectement la branche froide d'un évaporateur. On peut également utiliser à cet effet un système à absorption fonctionnant avec une source de chaleur.

Dans une forme de mise en application préférentielle cet évaporateur fait partie d'un circuit classique d'une machine frigorifique, contenant un compresseur, un condenseur, un organe de détente et un évaporateur.

Avantageusement on utilise dans un tel procédé l'air sortant du récupérateur pour alimenter la branche chaude du condenseur de la machine frigorifique.

Suivant encore un autre mode de mise en application de l'invention on peut combiner l'échangeur-récupérateur avec un dispositif de refroidissement par détente directe de l'air, tel une turbine. L'invention sera décrit ci-après en détail à l'aide d'exemples de mise en application nullement limitatifs en se réfèrent aux figures jointes, qui représentent:

• la figure 1 un schéma de principe d'un premier exemple;

• la figure 2 un schéma d'une tour de refroidissement utilisé dans le schéma de la figure 1 ;

• la figure 3 un schéma de principe d'un deuxième exemple; « la figure 4 un schéma de principe d'un troisième exemple.

En se référant à la figure 1 , celle-ci montre un conduit 1 par lequel l'air atmosphérique est amené dans la branche chaude d'un échangeur de chaleur 2, où l'air est refroidi préalablement avant d'être amené via le conduit 3 vers une unité de condensation 4. Dans cet exemple l'unité de condensation 4 est une tour de refroidissement 4a dans laquelle l'humidité présente dans l'air se condense en contact avec de l'eau froide. L'air déshumidifié est renvoyé par le conduit 5 vers la branche froide de l'échangeur 2 où elle refroidit l'air circulant dans la branche chaude. L'échangeur 2 a donc une fonction de récupération, c'est à dire l'air froide venant du conduit 5 reprend une partie des calories de l'air atmosphérique entrant par le conduit 1 . Via le conduit 6, l'air est ensuite évacué vers l'atmosphère. Le circuit est complété par une vanne 7 pouvant régler le débit de l'air rentrant dans l'échangeur-récupérateur 2. La tour de refroidissement 4a, représenté schématiquement sur la figure 2 se compose d'une entrée 21 d'eau glaciale, venant d'une unité de refroidissement 10, qui sera décrite plus loin, cet eau est pulvérisée sur un corps 22 de remplissage ou ruissellement entassé où l'eau glaciale rentre en contact direct avec l'air atmosphérique, venant du conduit 3 et rentrant par les entrées 23. En contact avec l'eau glaciale l'humidité présente dans l'air atmosphérique se condense et l'eau formée est recueillie ensemble avec l'eau glaciale, entre-temps partiellement réchauffée, dans le fond 24 de la tour 4a. Du fond 24 de la tour l'eau est partiellement renvoyée via le conduit 25 vers l'unité 10 et une autre partie est soutirée via le conduit 26 vers la station d'utilisation où de distribution. L'air refroidi et en grande partie déshumidifié est renvoyé vers le conduit 5 via une grille 27 qui retient les gouttelettes d'eau entraînée par l'air sortant.

Dans cet exemple l'unité de refroidissement 10 est une machine frigorifique classique, contenant un circuit fermé dans lequel circule un fluide, par exemple un dérivé glycolique. Le circuit fermé

est formé par un compresseur 1 1 , un condenseur 12, un organe de détente 13 et un évaporateur 14. La branche froide de l'évaporateur 14 est parcouru par l'eau sortant via le conduit 25 de la tour 4a. Dans l'évaporateur cet eau se refroidit avant d'être renvoyé à la tour 4a. La circulation de l'eau est obtenue au moyen de la pompe 18.

Suivant cet exemple l'air sortant d'échangeur-récupérateur 2 est renvoyé à l'atmosphère au moyen d'une soufflante 1 9 en parcourant d'abord la branche froide du condenseur 12 afin de servir comme source froide à ce condenseur. Une installation du type décrit ci-avant a été conçu en vue de produire environ 4000 litres d'eau en 24 heures.

Cette production est obtenue avec de l'air ayant une température de 25°C et une humidité spécifique de 70% en utilisant un débit de 5 kg/s. A cet effet il faut que la tour de refroidissement refroidit l'air rentrant à environ 19°C jusqu'à environ 1 1 °C. Une telle circulation permet de refroidir l'air à 25 ° rentrant dans la branche chaude de l'échangeur-récupérateur 2 jusqu'à environ 19°C . L'air à environ 1 1 ° sortant de la tour 4a et rentrant dans la branche froide de l'échangeur-récupérateur 2 sort de ce dernier à environ 1 7°C . Il suffit donc de sélectionner, parmi celles disponible dans le commerce, la machine frigorifique pouvant fournir dans une tour de refroidissement à contact direct la quantité de frigories nécessaires.

Avec une machine frigorifique assortie on obtient une production d'eau qui correspond à 75 litres d'eau par jour par kW de puissance installée. Avec une installation ayant une puissance au compresseur de 45 kW et 12 kW de puissance pour les auxiliaires, soit une puissance installée totale de 57 kW on obtient donc une production de 4.275 litres d'eau par jour.

Le prix du litre d'eau produit est proportionnel au prix du kWh local. Suivant l'exemple on produit 75 litres par jour, ce qui correspond à environ 3. 1 litres par heure par kW installé. Pour le prix de 1 kWh on aura donc environ 3. 1 litres d'eau .

Il est à noter que ces chiffres ne tiennent pas compte des pertes calorifiques, du coût (amortissement) de l'installation et des frais d'exploitation. Ces chiffres doivent par ailleurs être adaptés au conditions d'utilisation de l'installation.

Il est également possible de refroidir d'avantage l'air rentrant dans l'échangeur-récupérateur de sorte que la condensation de l'humidité présente dans l'air se produit déjà partiellement dans cet échangeur-récupérateur. L'exemple ci-dessus est donné avec incorporation d'un échangeur-récupérateur. Il est clair qu'on peut utiliser une tour de refroidissement pour la production d'eau sans échangeur-récupérateur. Le rendement sera alors plus faible. Ce rendement peut toutefois être amélioré en augmentant la puissance de la machine frigorifique. En se référant à la figure 3 , celle-ci montre une variante de l'installation décrite à l'aide de la figure 1 , suivant laquelle l'évaporateur d'une unité de refroidissement sert directement comme unité de condensation.

Le circuit se compose donc comme suit. L'air atmosphérique rentre par un conduit 3 1 dans l'échangeur-récupérateur 32 et passe ensuite par le conduit 33 dans l'unité de condensation . L'unité de condensation dans cet exemple est l'évaporateur 34 de la machine frigorifique. Cet évaporateur se présente sous forme d'une batterie de tubes à ailettes, dans lequel le fluide frigorifique circule à l'intérieur des tubes et l'air à l'extérieur. L'eau produite est récoltée via le conduit 37. L'air au moins partiellement déshumidifiée sort de l'évaporateur par le conduit 35 et passe dans la branche froide de l'échangeur-évaporateur 32 afin de refroidir l'air rentrant par le conduit 3 1. L'évaporateur 34 fait partie de la machine frigorifique se composant en outre d'un compresseur 4 1 , d'un condenseur 42 et d'un organe de détente 43.

Tout comme dans le premier exemple l'air déshumidifié sortant de l'échangeur-récupérateur 32 passe dans la branche froide du condenseur 42, afin de servir comme source froide a ce condenseur. Les essais décrits pour l'exemple 1 ont été répétés et ont donnés des résultats similaires. L'avantage du second exemple par rapport au premier réside uniquement dans la taille de l'installation. Une tour de refroidissement est en effet plus encombrante qu'une batterie de tubes à ailettes.

En se référant à la figure 4, celle-ci montre un schéma suivant lequel la condensation de l'eau est obtenu par une détente directe de l'air.

La figure 4 montre un compresseur 52 et une turbine 56, ces deux appareils étant monté sur le même arbre 50 et un échangeur- récupérateur 54. L'air atmosphérique rentre par le conduit 5 1 et est comprimé et donc réchauffé dans le compresseur 52. L'air passe ensuite via le conduit 53 dans la branche chaude de l'échangeur- récupérateur 54 où l'air est refroidi préalablement avant de passer par le conduit 55 dans la turbine 56. Dans la turbine 56 l'air est détendu et donc refroidi et par conséquent l'humidité présente dans l'air est au moins partiellement condensée. L'air refroidi passe ensuite par le conduit 57 dans la branche froide de l'échangeur-récupérateur et reprend pendant son passage une partie des calories de l'air rentrant par le conduit 53. L'eau condensé est recueilli du conduit 57 et envoyé vers la station d'utilisation où de distribution 58.

Des expériences ont démontrées que cette installation ne peut être utilisée économiquement qu'avec des turbines dont le rendement isentropique est suffisamment grand, de préférence de l'ordre de 0.8. En plus il faut un taux de compression et de détente situé entre 1 .4 et 2.5. En effet avec un taux de compression au-delà de 2.5 l'énergie dépensée devient abusive et avec un taux de compression plus faible que 1.4 on arrive difficilement à des températures suffisamment basses pour pouvoir condenser. Avec une turbine ayant un rendement de 80% et un rapport de compression de 2 (dans le compresseur) on peut produire de l'eau à partir de l'air atmosphérique avec une humidité spécifique de 70% en utilisant un débit d'air de 5 m/s. La production sera de l'ordre de 5,5 g d'eau condensée par kg d'air, ce qui correspond à environ 1 , 8 kWh d'énergie consommée pour la production d'un litre d'eau.

Il est clair que l'invention n'est pas limitée aux exemples de mises en application décrits ci-dessus, mais inclut les modifications et variantes évidentes pour l'homme de l'art.

Ainsi par exemple la source froide utilisée dans les deux premières exemples peut être remplacée par un système a absorption fonctionnant avec une source de chaleur.