Production d’eau purifiée par évaporation solaire à partir de structures 3D imprégnées de charbon actif : étude numérique du système

Romain Fillet1^{1}, Vincent Nicolas1,⋆^{1,\star}, Alain Celzard1^{1}, Vanessa Fierro1^{1}
⋆^{\star} : vincent.nicolas@univ-lorraine.fr
1^{1} Université de Lorraine, CNRS, IJL, F-88000 Epinal, France
Mots clés : Simulation ; matériaux biosourcés ; évaporation solaire ; transferts de chaleur et de masse ; charbon actif ; impression 3D
Résumé :

En raison de l’augmentation de la population, de la pollution des rivières et du réchauffement climatique, on estime que d’ici 2050, 3,9 milliards de personnes, soit plus de 40% de la population mondiale, vivront dans des zones de stress hydrique. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles solutions pour produire de l’eau purifiée en utilisant moins d’énergie. L’énergie solaire est prometteuse à exploiter, car la quantité qui atteint la terre en une heure peut couvrir les besoins énergétiques de l’humanité pendant un an. Comme cela a été prouvé, cette énergie est bien adaptée à la production d’eau purifiée par évaporation. Le système d’évaporation consiste à placer un matériau à la surface d’eau non potable pour en accélérer l’évaporation. Ce matériau doit capter suffisamment bien le rayonnement solaire, tout en permettant à l’eau de diffuser vers la surface d’évaporation. Le matériau doit aussi limiter les transferts thermiques vers l’eau liquide afin de conserver l’énergie en surface. Le carbone est un matériau de choix pour cette application : dans la littérature, différents matériaux carbonés ont été utilisés à cette fin, comme la biomasse carbonisée, les nanotubes de carbone, le graphène ou le charbon actif.

Dans ce travail, des architectures ont été imprimées en 3D et imprégnées de charbon actif pour améliorer le transport de l’eau et la conversion photothermique lorsqu’elles sont utilisées comme évaporateurs solaires. L’accent a été mis sur la modélisation du processus d’évaporation pour étudier les différents aspects affectant les performances. En effet, l’évaporation étant un processus endothermique, la maîtrise des transferts de chaleur et de masse est essentielle pour optimiser l’efficacité du système. Nous présentons ainsi un modèle numérique 3D permettant de simuler les transferts de vapeur d’eau et de chaleur vers l’air extérieur en modélisant l’écoulement autour des évaporateurs. La simulation de l’écoulement forcé autour de l’évaporateur a pour objectif de développer un modèle plus représentatif des conditions expérimentales.

Ainsi, une surface plane 2D et quatre structures 3D présentant une surface concave qui concentre le flux solaire ont été modélisées. A partir de ce modèle, les effets sur le taux d’évaporation du rayonnement de surface à surface d’une part, et de l’aire d’évaporation d’autre part, ont été analysés. De plus, le percement latéral des structures 3D comme piste d’amélioration des performances d’évaporation a été étudié.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-033

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