FR3096061A1 - Système de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau atmosphérique - Google Patents

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Abstract

SYSTÈME DE COLLECTE D’EAU PAR CONDENSATION DE LA VAPEUR D’EAU ATMOSPHÉRIQUE Le système (1) comprend une chambre de condensation à réfrigération passive par rayonnement (10) ayant une ouverture haute (100) orientée vers le ciel et recouverte par une membrane (101), la chambre de condensation comportant un espace intérieur dans lequel est agencé un corps de refroidissement (106) en regard de l’ouverture haute, le corps de refroidissement étant formé d’un matériau sélectionné pour avoir une forte émissivité dans une plage déterminée de longueur d’onde du spectre infrarouge et ayant au moins une surface de collecte d’eau (106a) en contact avec de l’air (AA) transitant dans la chambre de condensation, et la membrane étant une membrane laissant passer le rayonnement infrarouge (IR) émis par le corps de refroidissement (106). Pour un fonctionnement du système de jour et de nuit, la membrane est du type laissant passer le rayonnement infrarouge émis par le corps de refroidissement et réfléchissant le rayonnement solaire (RS) incident. Fig.1

Description

SYSTÈME DE COLLECTE D’EAU PAR CONDENSATION DE LA VAPEUR D’EAU ATMOSPHÉRIQUE
L’invention concerne de manière générale la récupération de l’eau atmosphérique à des fins de production d’eau potable. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un système de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau contenu dans l’air atmosphérique.
La récupération des eaux atmosphériques à des fins de production d’eau potable est un enjeu majeur. De nos jours, une grande partie de l’humanité vivant dans des régions arides connait une situation de stress hydrique, avec des difficultés d’approvisionnement en eau. Dans les zones tempérées, certaines régions subissent également des restrictions d’utilisation d’eau potable, notamment en période d’été, qui découlent souvent d’une surexploitation des ressources conduisant à un tarissement progressif des rivières et des lacs et à un abaissement des nappes profondes.
Les quantités d’eau présentent dans l’atmosphère, sous la forme d’eau de pluie, de brouillard et de rosée, sont considérables. La récupération de l’eau atmosphérique est une réponse concrète et efficace pour répondre aux problèmes de carence en eau, en procurant un complément à des ressources en eau existantes ou en fournissant de l’eau là où celle-ci est absente.
La récupération à l’aide de filets de l’eau condensée présente dans le brouillard est une technique bien connue qui donne de bons résultats de collecte dans certaines régions humides et en altitude. Le brouillard est cependant inexistant à basse altitude dans les zones arides et est un phénomène dont l’occurrence est assez rare au cours d’une année. Par contre, l’eau sous forme de vapeur est présente dans l’atmosphère même dans les régions les plus chaudes et arides où la pluie ne tombe pas. Ainsi, la rosée se produit quotidiennement avec l’abaissement de la température la nuit même avec une atmosphère relativement sèche, par exemple, dans des déserts continentaux.
L’eau de rosée se dépose naturellement sur un substrat dont la température est inférieure au point de rosée. En fonction de sa température, de son humidité relative et de la pression atmosphérique, une masse d’air ne peut contenir qu’une certaine quantité de vapeur d’eau. Le point de rosée représente la température minimale à laquelle peut être soumis l’air ambiant avant que la vapeur d’eau ne se condense en eau.
Différentes machines dites « Air-To-Water Machines » sont connues dans l’état de la technique pour produire de l’eau par condensation, en refroidissant l’air ambient jusqu’à atteindre son point de rosée. Ainsi, par exemple la société américaine AWG International, Inc., commercialise différentes gammes de machines de production d’eau, d’une ou plusieurs dizaines de litres/jour à 35000 litres/jour pour répondre à des besoins domestiques ou commerciaux, à des besoins de collectivités et autres, ainsi qu’à des besoins industriels.
Ces machines de l’état de la technique nécessitent un apport énergétique pour la production de l’eau. Une génération de froid à l’aide d’un compresseur électrique, par compression/détente d’un fluide frigorigène, est généralement nécessaire pour refroidir l’air. Ainsi, par exemple, les documents US5553459A et US5857344A décrivent des machines mettant en œuvre un cycle frigorifique pour produire de l’eau potable à partir de l’air ambiant. Par ailleurs, pour obtenir un débit d’eau important, une mise en pression de l’air ambiant est habituellement requise. Il résulte que les machines susmentionnées de l’état de la technique ont une consommation énergétique qui peut devenir conséquente lorsque la capacité de production d’eau demandée est importante.
Le besoin de disponibilité d’une source d’énergie et le coût économique que représente la consommation énergétique peuvent s’avérer problématiques dans certaines régions pauvres et arides du monde où les besoins en eau sont souvent les plus criants. L’impact environnemental, en termes d’empreinte carbone, de ces machines de l’état de la technique doit également être pris en compte et peut devenir significatif avec l’accroissement du parc installé.
Il est donc souhaitable de proposer une solution nouvelle ne présentant pas les inconvénients susmentionnés de l’état de la technique.
L’invention concerne un système de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau contenu dans l’air atmosphérique comprenant une chambre de condensation à réfrigération passive par rayonnement ayant une ouverture haute orientée vers le ciel et recouverte par une membrane, la chambre de condensation comportant un espace intérieur dans lequel est agencé un corps de refroidissement en regard de l’ouverture haute, le corps de refroidissement étant formé d’un matériau sélectionné pour avoir une forte émissivité dans une plage déterminée de longueur d’onde du spectre infrarouge et ayant au moins une surface de collecte d’eau en contact avec de l’air transitant dans la chambre de condensation, et la membrane étant une membrane laissant passer le rayonnement infrarouge émis par le corps de refroidissement.
Selon une caractéristique particulière, la membrane est une membrane laissant passer le rayonnement infrarouge émis par le corps de refroidissement et réfléchissant le rayonnement solaire incident.
Selon une autre caractéristique particulière, la membrane est un film de métamatériau hybride polymère/verre recouvert d’une couche mince d’argent.
Selon encore une autre caractéristique particulière, la plage déterminée de longueur d’onde du spectre infrarouge est une fenêtre atmosphérique d’absorption minimale du spectre infrarouge.
Selon encore une autre caractéristique particulière, le corps de refroidissement est en verre.
Selon encore une autre caractéristique particulière, la chambre de condensation comporte des parois isolées thermiquement formant réflecteur, ces parois comprenant une couche réflectrice en aluminium.
Selon encore une autre caractéristique particulière, ces parois de la chambre de condensation sont isolées thermiquement avec du polystyrène expansé.
Selon encore une autre caractéristique particulière, le corps de refroidissement a globalement une forme de vasque évasé et comprend des parois inclinées formant des surfaces de collecte d’eau, et un conduit d’écoulement d’eau vers un réservoir de stockage d’eau du système.
Selon encore une autre caractéristique particulière, la chambre de condensation et le réservoir de stockage d’eau sont contenus dans une enceinte formée à partir d’un conteneur maritime, la chambre de condensation étant agencée au-dessus du réservoir de stockage d’eau dans l’enceinte.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence au dessin unique annexé, dans lequel :
La Fig.1 est une vue schématique simplifiée en coupe d’une forme de réalisation particulière du système de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau contenu dans l’air atmosphérique.
En référence à la Fig.1, il est décrit ci-dessous une forme de réalisation particulière 1 du système de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau contenu dans l’air atmosphérique selon l’invention.
La présente invention fait appel à la réfrigération passive par rayonnement d’un corps qui refroidit l’air par convection afin d’obtenir la condensation. Cette méthode, basée sur le phénomène physique connu comme étant le rayonnement du corps noir, obtient le refroidissement d’un corps par sa perte d'énergie radiative. Elle présente l’avantage d’un très faible coût, compte-tenu qu’aucun apport d’énergie n’est nécessaire.
De manière générale, tout corps émet un rayonnement. Les matériaux sont caractérisés par une émissivité, comprise entre 0 et 1, qui est le rapport entre la quantité d'énergie émise par la surface du matériau et l'énergie émise par un corps noir parfait porté à la même température. Aux températures les plus usuelles, par exemple entre -50°C et 50°C, le rayonnement des matériaux est majoritairement infrarouge.
L'échange de rayonnement entre deux surfaces est donnée par la loi de Stefan-Boltzmann. Cet échange de rayonnement dépend de la différence de température entre les deux surfaces. Si un objet est placé en vue du ciel, qui est un corps thermodynamiquement froid, cet objet émettra un rayonnement élevé vers ce dernier, et se refroidira. Ainsi, par exemple, un refroidissement sensible de plusieurs degrés par rapport à la température ambiante peut être constaté de nuit sur un objet. Ce refroidissement est maximal en l’absence de nuages, dans un environnement dégagé et en isolant l’objet des échanges avec le sol et l’air, échanges qui ont un effet modérateur sur le refroidissement en ayant tendance à homogénéiser la température de l’objet avec celle du sol.
Comme visible à la Fig.1, le système de collecte d’eau 1 comprend essentiellement une chambre de condensation 10 et un réservoir de stockage d’eau 11. La chambre de condensation 10 et le réservoir de stockage d’eau 11 sont contenus dans une enceinte extérieure rigide 12.
Dans cette forme de réalisation particulière, l’enceinte extérieure rigide 12 est en acier et est réalisée typiquement à partir d’un conteneur maritime. En variante, l’enceinte extérieure 12 pourra par exemple être un ouvrage de maçonnerie, éventuellement partiellement enfoui dans le sol.
La chambre de condensation 10 est contenue dans la partie haute de l’enceinte 12 et comprend une ouverture haute 100 qui doit être orientée vers le ciel. Conformément à l’invention, l’ouverture haute 100 est recouverte d’une membrane 101 qui sera décrite en détail plus bas.
La chambre de condensation 10 est délimitée par des parois latérales 102 et une paroi de fond 103. Les parois 102 et 103 sont ici sensiblement planes et sont recouvertes d’une couche réfléchissante formée typiquement d’une plaque d’aluminium. Les parois latérales 102 sont inclinées de façon à réfléchir des rayons incidents IR vers l’ouverture haute 100.
Un matériau isolant thermiquement 104, par exemple du polystyrène expansé, recouvre les parois 102 et 103 de la chambre de condensation 10 et remplit l’espace entre les parois 102 et des parois latérales de l’enceinte extérieure 12 et entre la paroi de fond 103 et une paroi haute du réservoir de stockage d’eau 11. L’isolation thermique par le matériau 104 protège la chambre de condensation 10 d’un réchauffement par les rayons infrarouges émis par le sol et d’objets extérieurs environnants.
Une ouverture d’entrée d’air 105Eet une ouverture de sortie d’air 105Ssont aménagée dans les parois et le matériau isolant pour permettre une circulation de l’air ambiant AA dans la chambre de condensation 10. L’air AAEprovenant de l’environnement extérieur entre par l’ouverture d’entrée d’air 105E. L’air refroidi AASsort par l’ouverture de sortie d’air 105Saprès avoir libéré sa vapeur d’eau dans la chambre de condensation 10.
Comme également visible à la Fig.1, la chambre de condensation 10 comprend un corps de refroidissement 106 ayant ici sensiblement une forme de vasque évasé. Le corps de refroidissement 106 comporte des parois inclinées 106a qui forment un entonnoir avec un conduit vertical d’écoulement 106b vers le réservoir de stockage d’eau 11. Les parois inclinées 106a du corps forment des surfaces de collecte froides qui collectent des gouttelettes d’eau EA libérées par l’air venant en contact. Les gouttelettes d’eau EA ruissellent sur les parois inclinées 106a et se déversent dans le réservoir de stockage d’eau 11 par le conduit d’écoulement 106b.
Le corps de refroidissement 106 est en verre dans cette forme de réalisation particulière. Le verre présente l’avantage d’avoir une émissivité E élevée, de l’ordre de E = 0,92, et émet des rayons infrarouges dans une plage de longueur d’onde de sensiblement 8 µm à 13 µm. Cette plage de longueur d’onde de 8 à 13 µm du verre est intéressante car elle correspond sensiblement à une fenêtre atmosphérique d’absorption minimale du spectre infrarouge, ce qui favorise le refroidissement du corps 106.
Comme montré à la Fig.1, les rayons infrarouges IR émis par les faces inférieures des parois 106a du corps sont renvoyés vers les parois 106a par les surfaces réfléchissantes en aluminium des parois 102, ou 103. L’énergie radiante infrarouge du corps 106 se concentre ainsi sur les faces supérieures des parois 106a pour être évacuée vers le ciel à travers l’ouverture haute 100, éventuellement après d’autres réflexions des rayons infrarouges IR sur les parois réfléchissantes.
On notera que dans d’autres réalisations de l’invention, les parois réfléchissantes de la chambre de condensation 10 pourront prendre une forme parabolique pour une directivité accrue du rayonnement infrarouge à travers l’ouverture haute 100.
La membrane 101 qui couvre l’ouverture haute 100 remplit une double fonction.
Une première fonction de la membrane 101 est de fermer l’ouverture haute 100, délimitant ainsi l’espace intérieur de la chambre de condensation 10. Cette fermeture de l’ouverture haute 100 est nécessaire pour maîtriser la circulation de l’air dans la chambre 10 et interdire un réchauffement de celle-ci par convection à travers l’ouverture haute 100. Un tel réchauffement affecterait le rendement du système de collecte d’eau 1.
Conformément à l’invention, la membrane 101 a aussi pour fonction de filtrer le passage des rayonnements à travers l’ouverture haute 100, de façon à permettre un fonctionnement du système de collecte d’eau 1 aussi bien de jour que de nuit. Pour cela, la membrane 101 est choisie pour être quasi-transparente (forte émissivité) aux rayons infrarouges dans la plage de longueur d’onde de sensiblement 8 à 13 µm et transmettre ainsi hors de la chambre de condensation 10 les rayons infrarouges IR émis par le corps 106 et qui refroidissent celui-ci. La membrane 101 est également choisie pour réfléchir fortement les rayons solaires RS qui sont très majoritairement compris dans la plage de longueur d’onde de 0,3 à 3 µm. Les rayons infrarouges compris dans le spectre solaire, majoritairement dans la plage de longueur d’onde de 1 à 3 µm, ne traversent quasiment pas la membrane 101, de même que les rayons dans les spectres visibles et ultraviolet.
Un métamatériau hybride polymère/verre est décrit dans l’article de Ya Zhai, et al., intitulé “Scalable-manufactured ramdomized glass-polymer hybrid metamaterial for daytime radiative cooling” et publié le 9 février 2017 dans la revue Science, Vol.355, N°6329. Un tel matériau peut être réalisé à faible coût sous forme de film et présente une émissivité supérieure à E=0,93 dans la fenêtre atmosphérique susmentionnée du spectre infrarouge. De plus, il est possible d’obtenir une réflexion de l’ordre de 96% des rayons solaires incidents sur un film fait de ce matériau lorsque celui-ci est recouvert d’une couche mince d’argent de l’ordre de 200 nm. La membrane 101 ayant les caractéristiques de filtrage décrites plus haut est réalisable avec la technologie décrite dans cet article.
On notera que la membrane 101 pourra dans certaines réalisations être fixée sur une plaque en verre rigide (non représentée) pour une plus grande robustesse mécanique de la fermeture de l’ouverture haute 100, par exemple en cas d’épisodes venteux, d’impacts divers d’objets, d’oiseaux et autres.
Ainsi, grâce notamment aux dispositions de l’invention prévoyant un filtrage des rayonnements au moyen de la membrane 101 et une l’isolation thermique de la chambre de condensation 10, il est possible de refroidir le corps 106 à la température requise du point de rosée, et cela de nuit comme de jour. Le système de l’invention autorise ainsi un accroissement substantiel de la quantité d’eau collectée par condensation de la vapeur d’eau atmosphérique. On notera que la quantité d’eau collectée peut être augmentée par une mise en pression de l’air à l’intérieur de la chambre de condensation 10.
L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims (9)

  1. Système (1) de collecte d’eau par condensation de la vapeur d’eau contenu dans l’air atmosphérique comprenant une chambre de condensation à réfrigération passive par rayonnement (10) ayant une ouverture haute (100) orientée vers le ciel et recouverte par une membrane (101), ladite chambre de condensation (10) comportant un espace intérieur dans lequel est agencé un corps de refroidissement (106) en regard de ladite ouverture haute (101), ledit corps de refroidissement (106) étant formé d’un matériau sélectionné pour avoir une forte émissivité dans une plage déterminée de longueur d’onde du spectre infrarouge et ayant au moins une surface de collecte d’eau (106a) en contact avec de l’air (AA) transitant dans ladite chambre de condensation (10), et ladite membrane (101) étant une membrane laissant passer le rayonnement infrarouge (IR) émis par ledit corps de refroidissement (106).
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane (101) est une membrane laissant passer le rayonnement infrarouge (IR) émis par ledit corps de refroidissement (106) et réfléchissant le rayonnement solaire (RS) incident.
  3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite membrane (10) est un film de métamatériau hybride polymère/verre recouvert d’une couche mince d’argent.
  4. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite plage déterminée de longueur d’onde du spectre infrarouge est une fenêtre atmosphérique d’absorption minimale du spectre infrarouge.
  5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit corps de refroidissement (106) est en verre.
  6. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite chambre de condensation (10) comporte des parois isolées thermiquement (102, 103) formant réflecteur, lesdites parois (102, 103) comprenant une couche réflectrice en aluminium.
  7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites parois (102, 103) sont isolées thermiquement avec du polystyrène expansé.
  8. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit corps de refroidissement (106) a globalement une forme de vasque évasé et comprend des parois inclinées (106a) formant desdites surfaces de collecte d’eau, et un conduit d’écoulement d’eau (106b) vers un réservoir de stockage d’eau (11) dudit système.
  9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite chambre de condensation (10) et ledit réservoir de stockage d’eau (11) sont contenus dans une enceinte (12) formée à partir d’un conteneur maritime, ladite chambre de condensation (10) étant agencée au-dessus dudit réservoir de stockage d’eau (11) dans ladite enceinte (12).
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