Brevet FR2351556A1 — publié le 19771209

La présente invention a trait au domaine de la production d'én r- gis athermique. Elle concerne plua gpcialenent un procédé de chauffage d'un fluide secondaire par transmission à celui-ci des calories digagées par un fluide primaire. Elle a également pour objet un dispositif de production et de conversion d'énergie thermique basé sur l'utilisation des effets d'un rayonnement électroragnétique et luminaux de grande fréquence traversant un milieu, gazeux ou liquide, à exciter par émission stimulée. Les procédés actuellement utilisés pour la production d'énergie thermique font généralement appel au traitement de matières premières telles que : charbon, fuel, gaz naturel ou de distillation, minerais uranifères. Outre l'inquiétude qui se fait jour sur la rareté à l'avenir de certaines matières premières, ces procédés présentent l'inconvénient de rendements thermiques non quantitatifs, ce qui oblige à des recyclages, et surtout crient des pollutions de plus en plus diffioiles à supporter ainsi que des dangers que redoutent les populations (cas de l'énergie nucldaire). On s'efforce, certes, de mettre en oeuvre des sources d'énergétiques naturelles, telles que notamment énergie éolienne et géothermique mais les rendements obtenus sont faibles pour des moyens techniques sophistiqués et comateux en outre ces sources ne sont disponibles et ne seront d'exploitations industriellement rentables qu'en des lieux gSographiques très limités. L'invention apporte une eolution au problème de la production d' d'énergie thermique à faibles coûts et dans des conditions économiquement rentables grâce à l'obtention de rendements quantitatifs dans le transfert de calories. Elle offre la possibilité, à partir d'une faiblé quantité d'électricité et grâce à un matériel de coat raisonnable, de générer des calories avec le minimum de pertes et d'utiliser ces calories pour le chauffage direct de fluides liquides ou gazeux sans créaction de produits polluants. Dans sa forme la plus générale, l'invention a trait à un procédé de chauffage d'un fluide secondaire par transmission à celui-ci des calories ddgagées par un fluide primaire, ce procédé tant caractérisé en ce que le fluide primaire, disposé dans une enceinte close au sein d'un milieu constitué par le fluide secondaire à réchauffer, est soumis à un rayonnement dlec- tromagnetique B très haute fréquence, avantageusement comprises entre 1010 et 1016 Hertz. L'invention est basée sur le principe connu de l'excitation des atones d'un corps, avec mission stimulée, par bombardement k l'aide de signaux de très grande puissance, tels que des oscillations élec trosagsitiques de fréquences supérieures à 10 Hz. Elle a pour objet l'utilisation de l'agitation thermique générée par ces états d'excitation des atomes d'un milieu pour créer des sources calorifiques capables de réchauffer un Elui- de et permet ainsi, par mise en oeuvre de moyens appropriés et spécialement adaptés, d'obtenir des milieux gazeux ou liquides chauds capables d'évoluer dans des circuits distributeurs d'énergie thermique tels que canalisations de chauffage central, échangeurs thermiques, etc. Selon un procédé préférentiel conforme à l'invention, le rayonnement électromagnétique de grande puissance est constitué par le rayonnement lumineux cohérent émanant d'un laser, tel que notamment un laser à gaz, dont le faisceau est modulé b des fréquences correspondant à celles des molécules du fluide primaire, excitées par l'émission stimulée du laser. Par exemple, on peut utiliser comme milieu gazeux du laser, du crypton, de l'argon, un mélange d'hélium et de néon ou autre gaz rare ou élément habituellement mis en oeuvre (cadmium,etc..). En pratique, il est particulièrement avantageux d'utiliser un rayonnement monochromatique qui, éventuellement modulé, dmet essentiellement dans l'infra-rouge et le proche ultra-violet, par exemple selon des hyperfréquences de 1012 à 1015 Hz. Les effets corollaires de l'action du rayonnement, selon l'invention, sur les atomes du fluide primaire, et notammentlágitation qui provoque l'augmentation de température du fluide, peuvent autre de divers ordres. Par exemple on peut utiliser l'effet RAMAN et mettre à profit le phénomène de résonance magnétique des atomes excités, ou encore l'effet ZEEMAN et l'effet STARCK en associant le rayonnement laser, respectivement à un champ magnétique ou à un champ électrique.Lorsque le rayonnement laser envoyé sur le produit à exciter est suffisamment intense, il provoque l'émission d'électrons, par effet de chocs inélastiques sur les atomes du fluide (effet COMPTON); cette émission entrains une variation caractéristique de la fréquence du rayonnement initiateur du choc, laquelle est utilisée pour exploiter l'effet de résonance optique des atomes du fluide primaire, Selon une variante, on utilise le rayonnement à fréquence modifiée après passage dans le produit à exciter, en particulier dans le cas d'une faible concentration en composant h exciter, pour stimuler un autre produit ayant une concentration bien déterminée et produisant des effets corollaires engendrant un effet thermique. Comme dit ci-dessus, le faisceau laser est de préférence soumis k des modulations spatiales selon des variations soit en continu soit par échelons ; on détecte alors, en synchronisme avec les variations de la fréquence de modulation, les effets de résonance optique des atomes du fluide excité. Selon une variante, le faisceau laser est modulé avec une fréquence fondamentale dont on n' utilise que certains harmoniques, notamment dans le cas où l'excitation par une fréquence fondamentale du même ordre que celle d'excitation n'est pas suffisamment:intense. L'invention a également pour objet un dispositif de miae,en oeuvre du procédé susmentionné et destiné tout particulièrement au chauffage de fluides aptes à transporter des calories. Le dispositif comporte esientielle- ment a) un récipient étanche, muni d'une arrivée et d'une sortie de fluide secon daire, gazeux ou liquide ainsi que d'un thermostat b) disposée dans ce récipient ef de volume inférieur à ce dernier, une encein te close (ou chambre d'excitation), de configuration ovotide, remplie de fluide primaire, gazeux ou liquide, cette enceinte étant reliée, par un guide d'ondes, à un laser avec modulation optique et étant munie d'un dispositif de contrôle optique et thermique ;; des moyens,connus en soi, étant ou outre prévus pour assurer la régulation, à débits déterminés du fluide secondaire et les fréquences et intensités du rayonnement laser. Par voie de conséquence, l'invention permet d'envisager la mise en place d'installations automatiques pour le chauffage des divers fluides, gazeux ou liquides, habituellement utilisés comme éléments caloporteurs dans les réseaux de distribution. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée de modes de réalisation, cités à titre non limitatifs, illustrés par les dessins annexés où l'on a représenté schématiquement . sur la figure t : un réacteur à double enceinte jouant le rôle de conver tisseur d'énergie thermique . sur la figure 2 : le schéma de principe d'une installation de mise en oeuvre et de régulation du dispositif de la figure 1. Le convertisseur de la figure I illustre un cas d'application du procédé de l'invention au chauffage en continu d'un fluide destiné k un seau de distribution (industriel, domestique ou autre). il comprend essentiellement : un récipient 1 classique, du type cuve, chaudière ou analogue dans lequel circule un fluide à chauffer 2 (air, eau, etc.) entre une alimentation d'entré 3 et une canalisation de sortie 4, reliée au réseau de distribution au sein de ce récipient 1, un chambre close 5 de forme ovotide, emplie d'un fluide 6 dénommé ici primaire, par opposition au fluide 2 dit secondaire.Ce fluide peut être constitué par un produit ou mélange de produits gazeux ou liquides aptes à engendrer un effet thermique par excitation atomique à l'aide d'un rayonnement de haute fréquence supérieure à 1012 Hz. On peut citer, par exemple, å titre illustratif, un gaz rare comme du krypton ou un gaz inertecomme de l'azote. La chambre ou enceinte 5 est irradiée en 7 par un rayonnement guidé par la fibre optique 8, émanant d'un laser à gaz (flèche 9 de la fiv 1) et modulé en 10. On peut par exemple utiliser un laser à gaz à mélange hdlium-néon dont les fréquences sont modulées pour avoir un faisceau émettant essentiellement dans le spectre infra-rouge. On peut, à cet effet, employer tout modulateur optique de;-type connu. Par ailleurs, la chambre 5 est munie d'un dispositif 11 relié en 12 à un système de contrôle optique et thermique permettant de suivre et de réguler l'excitation atomique et l'agitation thermique du fluide 6. En pratique, les parois de l'enceinte 5 peuvent être réalisées en tous matériaux perméables aux rayonnements de grande frdquence (notamment aux infra-rouges) et ne subissant pas de dt5formatio9 sensible/des températures pouvant atteindre 150 à 200 C ; on peut citer par exemple des verres spéciaux haute température, des métaux et alliages légers comme des alliages d'aluminium, etc.. La source du rayonnement laser peut être soit fixe par rapport A l'enceinte 5, comme c'est le cas pour la figure 1, soit mobile par rapport à celle-ci, le récepteur 7 du guide d'ondes 8 pouvant se déplacer autour de l'enceinte 5. Ainsi, par modulation d'un faisceau laser å des fréquences comprises entre 1012 et 1015Hz, on a pu obtenir, en moins de 10 minutes, dans une enceinte emplie de gaz du grou/pe/fréons, des températures de l'ordre de 100 C permettant, par diffusion-absorption des rayons I.R. symbolisés par les flèches 13, d'échauffer l'eau de circulation 2 d'une chaudière 1 munie d'un thermostat 14. Une installation de convertisseur d'énergie thermique par laser est symboliquement représentée sur la figure 2. L'énergie électrique 15 est fournie au laser 9 par l'intermédiaire d'un convertisseur statique 16 et d'un oscillateur laser 17, par exemple de l'ordre de 800 X 1000 wolts. Le contrôleur opto-thermique 11 de l'enceinte ou chambre d'excitation 5 et le thermostat 14 de la cuve 1 sont relies fk un pupitre 1 de traitement électro- nique des informations et l'ensemble de l'installation, y compris les ouver tures-feruetures des électrovannes ou pompes de circulation 19 contrôlant le fluide secondaire à réchauffer, est soumis å un système régulé d'asservissement figuré par le carré 20 du schéma de principe. Ainsi, grâce au procédé et au dispositif selon l'invention, on peut obtenir h faible coût de l'énergie thermique régulée qui peut 8tre utilisée soit en tant que telle soit comme milieu caloporteur destiné à réchauffer des fluides traditionnels et/ou vaporiser ces derniers. il est remarquable de constater que, dans l'applicationvisée ci-dessus de chaudière thermique, le dispositif selon l'invention peut être adapté sans difficultés majeures aux générateurs et circuits classiques de distribution de calories utilisées actuellement tant dans lthabitat que dans les divers secteurs de }'industrie? agronomie, etc.. x E r z M D I C A T I O N S 1. Procédé de chauffage d'un fluide secondaire par transmission è celui-ci de calories dégagées par un fluide primaire, le procédé étant caractérisé par le fait que le fluide primaire, disposé dans une enceinte close au sein du milieu constitué par le fluide secondaire à rdchaufferF est souris à un rayon n nuent électrcaagnétique k très haute fréquence, de 1010 à 1016 Hertz. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rayonnnement élec tromagnétique est constitué par le rayonnement lumineux cohérent émanant d'un laser, tel que notamment un laser à gaz, dont le faisceau est modulé à des fréquences correspondant å celles des atomes du fluide primaire, excite par l'émission stimulée du laser. 3. Procéda selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'on associe le rayon nement laser B un,champ électrique et/ou b un champ magnétique. 4. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le rayonnement laser envoyé sur le fluide primaire a une intensité telle qu'il provoque, par ef fet de choc inélastique, l'émission d'électrons au sein dudit fluide, cet te dernière entrainant une variation caractéristique de la fréquence du rayon nement initiateur du choc, laquelle est utilisée pour.exploiter l'effet de résonance optique des atomes dudit fluide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les fluides primaire et secondaire sont constitués par des produits ou mélange de produits gazeux ou liquides. 6, Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendi cationa 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte a) un récipient étanche, muni d'une arrivée et d'une sortie de fluide se conduire, gazeux ou liquide ainsi que d'un thermostat b) disposée dans ce récipient et de volume inférieur B ce dernier, une en ceinte close (ou chambre d'excitation), de configuration ovoïde, remplie de fluide primaire, gazeux ou liquide, cette enceinte étant reliée, par un gui de d'ondes, à un laser avec modulateur optique et étant munie d'un dispositif de contrôle optique et thermique ; des moyens connus on soi, étant en outre prévus pour assurer la régulation, k débits déterminés, du fluide secondaire et les fréquences et intensités du rayonnement laser. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que la source de rayon nement laser est soit fixe par rapport à ladite enceinte soit mobile autour de celle-ci. 8. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le rayonnement laser, spécifique de la nature du fluide primaire à exciter, est sélectionné de telle sorte que les émissions d'énergie, diffusant de l'enceinte pour réchauffer le fluide secondaire de la cuve, soient situées essentiellement dans le spectre infra-rouge. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8 caractérisé en ce que le laser est du type laser à gaz tel que k l'argon, néonAithium ou analogues et en ce que le faisceau d'émission est modulé, soit en continu soit par échelons pour détecter, en synchronisme avec les variations de fré quence de modulation, les effets de résonance optique dex atomes du fluide primaire excité. 10. Installation de conversion d'énergie thermique par laser1 faisant appel au dispositif selon l'ensemble des revendications 6 à 9, et notamment instal- lation automatique de chauffage en continu d'un fluide classique, gazeux ou liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte une régulation Qlectronique de l'agitation thermique des atomes du fluide primaire excité et de la tempdra- ture du fluide secondaire chauffé et en ce que l'ensemble des moyens mis en oeuvre entre la production des rayonnements laser et l'écoulement du fluide secondaire réchauffé sont soumis å un système d'asservissement.