Brevet FR3037254A1 — publié le 20161216

La Présente invention concerne un dispositif de distillation d'une eau chargé en sels dissous, ou tout autre polluant, utilisant l'énergie solaire par effet de serre pour évaporer cette eau, puis une condensation pour récupérer l'eau distillée. Dans une serre fermée par une toiture transparente, on place un sol étanche de couleur noire, recouvert d'eau salée. Le soleil chauffe cette eau qui s'évapore, et vient se condenser sur la verrière plus froide. L'eau de condensation s'écoule le long de la verrière et est récupérée dans une gouttière. Ce dispositif a été utilisé dans de grandes installations de dessalement de l'eau de mer jusque dans les années 1960, et pratiquement abandonné depuis, car 10 peu efficace et non rentable par rapport aux techniques modernes comme l'osmose inverse. Le dispositif objet de ce brevet a pour but d'améliorer les performances et la simplicité d'installation tout en diminuant le cout de ces dispositifs pour être un outil au service des actions humanitaires dans des zones défavorisées disposant d'eau 15 salée, mais pas d'eau potable. Le procédé d'évaporation par effet de serre et condensation de l'eau de mer, est connu depuis l'antiquité puisqu'il était utilisé par les navigateurs phéniciens et a été décrit par Aristote. La première installation industrielle de grande taille étudiée avec soin, a été 20 créée en 1872 par l'ingénieur Charles Wilson pour une exploitation minière à Las Salinas au Chili et produisait 20m3 d'eau par jour. On en verra le principe sur la figure 1. Une serre fermée comprend une verrière (1), un espace clos (7), un bac de rétention noir étanche (2) contenant une lame d'eau (3) chargée de sels. Les rayons du soleil (9) traversent la verrière (1) et 25 viennent chauffer l'eau salée (3), ce qui sature l'air du volume (7) en vapeur d'eau, qui monte (13) pour rejoindre la surface intérieure de la verrière, qui étant relativement plus froide fait condenser l'eau. Les gouttes d'eau distillée (5) formées sur la surface de la verrière redescendent le long de celle-ci et sont recueillies par une gouttière (4). Dans des conditions idéales comme celle de cette installation au Chili, la production 30 peut atteindre 3 litres d'eau douce par m2 de verrière. Ce modèle a été particulièrement étudié et optimisé dans les années 1950 et 1960 à l'Université de Californie, qui a conclu qu'on avait atteint les limites du procédé et qu'il ne pouvait pas être rentable en comparaison de procédés industriels plus complexes. Plusieurs dizaines de grandes installations ont été construites à cette 35 époque. La principale amélioration apportée fut le remplacement de la verrière faite 3037254 2 d'un cadre métallique et de panneaux de verre par un simple plastique transparent tendu. Une autre forme consiste à utiliser une verrière en forme de cône de base circulaire. Durant la dernière guerre, Maria Telkes chercheuse au Massachusetts 5 Institute of Technology a mis au point un système gonflable suivant ce modèle qui est toujours utilisé comme accessoire sur les canaux de sauvetage en mer. Brevet US2412466 et US3415719. Alors que les deux autres modèles doivent être orientés dans le sens Est-Ouest, la face inclinée vers le soleil, ce dernier modèle n'a pas d'orientation privilégiée. C'est un avantage en mer où le distillateur n'a pas d'orientation fixe, c'est un inconvénient à terre où une grande partie de la verrière n'est pas utilisée de façon optimale. Les grandes zones de sécheresse sont le plus souvent au-delà des tropiques, le soleil n'est que très rarement ou jamais vertical. Plus récemment des chercheurs, Fath et Elsherbiny en 1992 ont tentés d'améliorer le processus en ajoutant une chambre de condensation (10), visible sur la Figure 2. Une paroi (8) refroidie en général par un courant d'eau de mer plus fraiche, permet d'accélérer la condensation dans cette partie et de créer un léger courant d'air (18) entre la chambre d'évaporation (7) et la chambre de condensation (10). Procédé pouvant encore être amélioré en forçant le mouvement par des ventilateurs. Il est cependant intéressant de constater que même en supprimant la source froide, et la paroi (12) de séparation, le rendement est légèrement amélioré, par la simple augmentation de la surface de condensation. D'autre part la chaleur latente de la vapeur d'eau n'est plus conservée dans l'enceinte chauffée si la condensation se fait sur une surface refroidie par l'extérieur. Ce procédé avait déjà été breveté US4159228 en 1979 mais n'a pas eu d'application pratique, sans doute à cause de la difficulté à gérer une source froide. Des expériences ont montrées que le rendement était d'autant meilleur que la lame d'eau (3) était fine. Ce qui oblige à avoir un bac de rétention (2) d'une parfaite horizontalité, donc un travail de génie civil d'une qualité incompatible avec les zones défavorisées visées. Nafay et Valsaraj ont expérimentés en 2002 un fond mobile flottant à quelques centimètres sous la surface, qui a démontré sa réelle efficacité. On note sur la Figure 1 que si l'air chaud et humide monte (13a), l'air asséché et refroidi par son contact avec la verrière doit nécessairement redescendre (13b). Ces deux mouvements ascendants et descendants qui se produisent au même endroit créent des tourbillons (13c) qui en mélangeant partiellement les deux flux, diminue l'efficacité. Ainsi des expériences ont montrées qu'on améliorait sensiblement le rendement en diminuant la distance entre la verrière (1) et a surface de la lame 3037254 3 d'eau (3). Ce qui a amené Tleimat et Howe en 1966, puis Moustafa en 1979, à étudier des modèles de serres plates comme sur la figure 3. Au lieu d'avoir un bac de rétention (2), on a plusieurs petits bacs (11) en escalier, permettant de diminuer sensiblement la distance entre l'eau (3) et la surface de condensation (1) voir brevet US 5628879. Une 5 alimentation en eau salée (6a) permet de remplir le premier bac (11), dont le trop plein se déverse dans le second et ainsi de suite jusqu'au trop plein final (6b). Chaque bac a un fond (2) noir pour permettre l'échauffement de la lame d'eau correspondante (3). Trop complexe à construire, le procédé n'a pas eu d'application pratique. Toujours dans le but de diminuer l'épaisseur de la lame d'eau (3) et la 10 distance entre la verrière (1) et l'eau (3), Frick et Sommerfield ont expérimentés en 1973 un système où l'eau salée circule naturellement dans une mèche. Voir brevets US 2595905 et US2405118. La figure 4 montre un tel système : un petit réservoir d'eau salée (11) est situé au sommet et alimenté par le tuyau (6a). La partie haute d'une mèche (14a) ou textile absorbant de couleur noire trempe dans le réservoir (11), ce 15 qui permet à l'eau salée de monter par capillarité jusqu'au sommet du bord du réservoir (11), puis de redescendre par gravité le long de la mèche (14b). La difficulté de gérer correctement ce processus, et d'éviter que des zones restent sèches aux heures les plus chaudes de la journée, a amené des chercheurs Sodha en 1981 puis Yadav et Tiwari en 1989 à en tester des améliorations. Il est néanmoins toujours 20 nécessaire de disposer d'une pompe pour remonter l'eau qui sort par l'écoulement (6b) vers l'arrivée d'eau (6a). Bien que présentant de bons rendements, aucun de ces procédés n'a eu d'application pratique à grande échelle. 25 Si ces procédés sont considérés comme non rentable pour des zones privilégiées, du fait notamment des coûts de génie civil pour l'installation, puis des coûts de maintenance, il n'en demeure pas moins d'une grande économie et simplicité pour les zones défavorisées, ne pouvant assurer ni le financement ni la maintenance d'installations complexes. Il convient donc d'en améliorer encore l'efficacité, ainsi que 30 la simplicité de fabrication et de mise en oeuvre, et en diminuer le coût. Nous avons vu qu'il convenait de diminuer autant que faire se peut la distance entre l'eau salée et la verrière (1), diminuer l'épaisseur de la lame d'eau salée (3), si possible en évitant l'utilisation de mèche ou textile imprégné d'eau, car l'extraction pour évaporation en est plus difficile. On a vue également que la surface de 35 condensation ne devait pas se limiter à la surface de la verrière. L'étude des procédés de séchage nous a appris que trois facteurs favorisent l'évaporation : la surface 3037254 4 d'échange entre l'air et l'eau, l'apport de chaleur qui augmente la pression de vapeur saturante et la convection ou mouvement de l'air. L'invention cherchera ainsi à optimiser tous ces facteurs bien connus. L'invention concerne donc un dispositif de distillation d'une eau chargé en 5 sels dissous, utilisant l'énergie solaire par effet de serre pour évaporer cette eau, puis une condensation pour récupérer l'eau distillée. Le principe du dispositif tel qu'il est représenté sur la figure 5, est caractérisé en ce qu'il comprend une serre (7) constituée d'une face avant transparente (1) laissant passer les rayons du soleil ; une face arrière (16) ; et des 10 cotés (8) ; un bac de rétention (11), contenant de l'eau chargée en sels (3). Un matériau flexible hydrophile noir (14) en forme de tapis continu, qui passe sur un cylindre horizontal supérieur (15a), et un cylindre inférieur (15b) qui trempe dans le bac de rétention (11). Il y a au moins un tapis sans fin (14) soutenu par au moins un rouleau (15) qui vient se mouiller dans le bac (11). Le cylindre supérieur (15a) est 15 motorisé et entraine en rotation à faible vitesse le tapis flexible (14). Ainsi le tapis trempe dans le bac de rétention (11), où il se mouille d'une fine couche d'eau salée. Cette partie mouillée se déplace vers le haut le long de la verrière (1), jusque sur le rouleau (15a), trajet pendant lequel elle est chauffée directement par le soleil qui traverse la verrière, puis redescend de l'autre côté le long de la paroi (16). Durant tout 20 ce trajet, il est en contact avec l'air chaud sur ses 2 faces, recto et verso. La surface d'échange entre l'air et l'eau est donc 4 fois plus importante que sur tous les autres modèles. D'autre part le mouvement du tapis provoque par entrainement un léger mouvement d'air évitant la stagnation peu propice à l'évaporation. Contrairement au système de la figure 4 fonctionnant par imprégnation d'une mèche, dans lequel l'eau 25 salée monte par capillarité, et redescend par gravité, dont on ne peut pas gérer le débit d'eau, la vitesse de déplacement du tapis permet de gérer très rigoureusement le débit d'eau salée qui se présente devant la verrière. La condensation se forme, puis s'écoule sur la verrière (1), et est récupérée en bas de l'espace (7), et peut couler par un conduit d'extraction (17). 30 La face avant de la serre (1) pourra être constituée d'une feuille de plastique à haut niveau de transparence ; le fond (16) d'une feuille plastique noire ; les côtés (8) d'un simple cadre en bois peint en noir pouvant supporter la chaleur et l'humidité de l'intérieur de la serre. Le tout devant être facilement démontable pour permettre le changement aisé d'une des parties, notamment de la face avant (1), qui 35 devra pouvoir être ouverte pour la maintenance. 3037254 5 Le dispositif amélioré de la figure 6 comprend en plus un espace (20) entre le bac de rétention (11) et la paroi arrière (16), permettant à l'air humide de se condenser également sur cette paroi arrière, et à l'eau condensée de s'écouler jusqu'au bas du volume (7), et le tuyau d'évacuation (17). Si on dispose d'un élément 5 réfrigérant, comme de l'eau salée plus froide, cette surface peut être réfrigérée et bénéficier ainsi de l'effet obtenu dans l'espace de condensation (10) de la figure 2. L'adjonction de rouleaux secondaires, ou de guides (19) permet d'ajuster la distance entre le tapis (14) et la verrière (1) peut être ainsi aussi faible qu'on le souhaite, soit la hauteur des gouttes de condensation, plus l'épaisseur de la lame 10 d'eau qui mouille le tapis (14), plus une marge de sécurité pour éviter le contact entre les deux. Le tapis pourra avantageusement être fait d'une matière hydrophile qui se mouille et ne s'imprègne pas, de telle façon que l'eau salée reste à la surface du matériau, ce qui permet une évaporation plus rapide. Ce résultat pourra être obtenu soit pas la nature même du matériau soit par des irrégularités de la surface de nature à 15 entrainer l'eau. La figure 7 est une vue de face où l'on peut voir que le rouleau (15b) peut avantageusement être construit comme une cage cylindrique, ce qui permet un bon mouillage de la face interne du tapis, et limite le volume occupé par le cylindre dans le bac de rétention (11). Le cylindre supérieur (15a) peut également être construit avec le 20 même procédé. Il pourra avoir une forme de barrique, légèrement bombée au centre, pour le tapis se centre naturellement, procédé bien connu dans les machines utilisant es tapis sans fin. Pour simplifier le démontage du tapis, tout en permettant son centrage automatique, on pourra comme sur la figure 8 plier chaque extrémité du tapis (14) pour former deux plis fermés (27). Dans chacun de ces plis on introduit une 25 baguette (28) terminée par un biseau (29). Lorsque le tapis se décentre, le biseau (29) vient glisser le long d'un coin (30) accroché à la paroi (8), ce qui recentre le tapis, sans en user les bords. Le rouleau supérieur (15a) est entrainé en rotation par un moteur 30 mécanique du genre mécanisme d'horlogerie à ressort ou poids, pouvant être remonté tous les matins, soit par un moteur électrique, soit manuellement. Dans ce dernier cas un capteur d'humidité (21) peut être placé sur le tapis, sur la face arrière de la zone d'évaporation pour régler et optimiser la vitesse de déplacement du tapis, ou simplement son arrêt et sa marche. Le tapis ne fonctionne alors que s'il y a du soleil et 35 si le tapis est sec, ce qui peut être obtenu par un simple pont de VVeston pour le capteur et un petit panneau solaire pour alimenter le moteur. 3037254 6 L'angle (24) d'inclinaison du dispositif doit être sensiblement égal à la latitude du lieu, pour que la face de la verrière (1) soit sensiblement perpendiculaire aux rayons du soleil au moment de l'équinoxe. En ajoutant un support réglable (25) on peut optimiser l'orientation du dispositif pour qu'il soit perpendiculaire aux rayons du 5 soleil tout au long de l'année, en augmentant l'angle d'inclinaison en hiver et en le diminuant en été. Une telle opération pouvant être faite une fois tous les mois. L'orientation du dispositif doit bien évidemment être plein sud dans l'hémisphère nord et plein nord dans l'hémisphère sud. Or la production d'eau distillée présente un pic très net lorsque le soleil est bien perpendiculaire à la verrière (1). Par 10 l'adjonction de roulettes (26) ou d'un axe de rotation et d'au moins une roulette, on peut lui donner deux orientations au cours de la journée, une le matin, ou le soir, ou plus. On met à profit ainsi le fait que contrairement aux autres dispositifs, il n'est pas nécessaire d'avoir une parfaite horizontalité de l'installation, et que sa taille reste modeste, de l'ordre de quelques mètres carrés. Tous les dispositifs précédents sont 15 conçus pour fonctionner soit en totale autonomie, ce qui nécessite des pompes électriques et des réservoirs, soit pour une autonomie de 24heures, le dispositif devant être rempli d'eau salée et vidé de son eau distillée chaque matin. Or un dispositif comme celui de l'invention, de par sa taille et sa maniabilité, peut être implanté à proximité du village, où une réorientation au milieu de la journée ne présente pas 20 d'inconvénient. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 est une vue en coupe d'une verrière à une pente telle que celle installée à la mine de Las Salinas au Chili qui comprend une verrière (1), un bac de 25 rétention noir étanche (2) contenant une lame d'eau (3) chargée de sels. Les rayons du soleil (9) traversent la verrière (1) et viennent chauffer l'eau salée (3), La vapeur d'eau monte (13) pour rejoindre la surface intérieure de la verrière, et s'y condenser. Les gouttes d'eau douce (5) redescendent le long de celle-ci et sont recueillies (6) par une gouttière (4). 30 La figure 2 est une vue en coupe d'une verrière à laquelle on a ajouté une seconde chambre de condensation (10) dont une paroi (8) peut être réfrigérée pour accélérer la condensation. Un léger courant d'air (18) se forme entre la zone d'évaporation (7) et la zone de condensation (10). La figure 3 est une vue en coupe d'une verrière plate, formée d'une face 35 avant (1) transparente, d'une face arrière (16) et de côtés (8). La verrière contient 3037254 7 plusieurs petits bacs de rétention (11) en escalier, une arrivée et un trop plein d'eau salée (6a et b). L'eau condensée est récupérée par une gouttière (4). La figure 4 est une vue en coupe d'une verrière plate, contenant un bac de rétention (11) à la partie supérieure, et une mèche qui s'imprègne d'eau salée à la 5 partie supérieure par capillarité (14a), et laisse l'eau ruisseler par gravité dans sa partie médiane (14b). La figure 5 est une vue en coupe d'une installation suivant l'invention. Un bac de rétention (11) contient l'eau salée. Un tapis sans fin (14) est suspendu sur des rouleaux (15a et b). 10 La figure 6 est une vue en coupe d'une installation suivant l'invention dans laquelle un espace (20) entre le bac (11) et la paroi arrière (16) permet à l'eau condensée sur cette paroi d'être récupérée. La figure 7 est une vue de face d'une installation suivant l'invention dans laquelle on peut voir le mécanisme (23) mettant en mouvement le rouleau supérieur 15 (15a), et les deux rouleaux (15a et b) en forme de cage. La figure 8 est une vue de face d'une installation suivant l'invention dans laquelle on peut voir le mécanisme d'autocentrage du tapis (14). Des tringles (28) se terminent par un biseau (29) qui, en glissant sur les cales (30) recentrent le tapis. La figure 9 est une vue en coupe d'une installation suivant l'invention dans 20 laquelle un support réglable (25) permet de régler l'angle d'inclinaison (24) du dispositif, et des roulettes (26) permettent de modifier son orientation. La figure 10 est une vue en perspective de l'invention. 25 REVENDICATIONS1) Dispositif de distillation solaire, destiné à permettre l'évaporation par effet de serre d'une eau chargée en sels dissous, et la récupération de l'eau distillée ; caractérisé en ce qu'il comprend au moins un volume (7) fermé par au moins une surface transparente (1) destinée à laisser passer les rayons du soleil et sur laquelle tout ou partie de l'eau évaporée pourra se condenser, au moins un bac (11) contenant de l'eau chargée en sels; et au moins un tapis sans fin (14) soutenu par au moins un rouleau (15) qui vient se mouiller dans le dit bac (11) ; la mise en mouvement du dit tapis (14) permettant à tout ou partie de sa surface d'être mouillée et de se déplacer devant la surface transparente (1). 2) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel au moins un rouleau (15) est entrainé manuellement ou par un moteur. 3) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel un espace (20) situé entre le bac (11) et la face arrière (16) permet à l'eau qui se condense sur cette face arrière, d'être récupérée en bas du dispositif. 4) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel au moins un support intermédiaire (19) permet de régler le passage du tapis (14) très près de la face avant (1), ou de l'éloigner de la face arrière (16). 5) Dispositif de distillation solaire suivant les revendications 1 et 2 dans 20 lequel au moins un rouleau (15) a une forme de cage permettant au tapis (14) de se mouiller sur ses deux faces, et de limiter le volume occupé dans le bac (11). 6) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel le tapis (14) comprend à ses extrémités des tringles (28) dont les extrémités ont une forme de biseau (29) dont le glissement sur les coins (30) permet le recentrage du 25 tapis. 7) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel le rouleau supérieur (15a) est mu par un moteur électrique (23), régulé par un capteur d'humidité (21) testant "humidité du tapis (14). 8) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 1 dans lequel un 30 support réglable (25) permet de modifier l'angle d'inclinaison du dispositif (24). 9) Dispositif de distillation solaire suivant la revendication 8 dans lequel le support est muni d'au moins une roulette (26) ou d'un axe de rotation permettant l'orientation du dispositif.