Brevet FR2390390A1 — publié le 19781208

Il Materiaux Vitrifiés et Procédés les rendant aptes à capter l'Energie Solaire et à accumuler la chaleur " L'invention a pour objet de produire des materiaux d'origine minérale offrant des propriétés physiques et thermiques telles qu'ils puissent capter la chaleur élise par le rayonnement solaire et(ou) ,d'autre part,stocker ll'énergie calorique ,que celle-ci soit issue de capteurs solaire ,ou de centrales thertiques à combustibles fossiles ou nucléaires,ou qu'elle soit d'origine géothermique. On sait que le rencherissement du petrole a developpé la recherche d'énergies nouvelles, et aussi de moyens d'économiser en la stockant ,l'énergie dissipée pendant les heures creuses. A cette fin,des matiéres solides et liquides existent déjà ,mai@ le prix limite le developpement de leurs applications. Le materiau fusibletfaisant l'objet de l'invention, est obtenu par vitrification de mélanges de silice ,d'alumine et de chaux avec des oxydes de fer .Selon l'invention, de telles compositions peuvent être aussi réalisées à partir de déchets miniers ou métallurgiques de diverses provenances ,dans les proportions indiquées au Tableau I ,en vue d'obtenir par fusion un produit vitrifié defini symboliquement sous le sigle "195". Le Tableaux 2 indique la composition chimique du materiau I95, Le Tableau 3 designe ses caracteristiques physiques principales. Tableau I : Composition de déchets industriels vitrifiables SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO Na2O K2O "Déchets Rouges" 10 23,8 3,5 32,4 Schistes HBL 62 8,5 21,2 0,39 0,33 2,82 Boues Rouges d'A@@ I2,I 43 I8,8- 5,7 7,6 Boucs Rouges de Ti 21 II 2,5 0,95 Scories de Zn 20 37 7 13 Scories de Pb 22 36 2 21 Tableau 2 :Composition Vitrifiée I95 Silice 45,25 alumine 5,84 Oxyde Ferrique 17,64 Chaux 24,04 MgO 0,59 Oxyde de Sodium 5,81 Tableau 3 ::Propriétés physiques du"I95" .Microdureté t 660-700 viokers Densité : 2,98 .C.de Dilatation :89.10-@ .Point de Transformation:5950C .Point de ramollissement;625 C OTemperature liquidus::12500C Tendance forte à la devitrifi cation sans changement de vo- lume (Wollastonite) . Devitrite secondaire entre 1075 et 1175 C. Le Tableau 3 permet de juger des propri@tés physiques interessantes du materisu vitrifié 195 t - microdureté élevée,atteignant celle d'un bon acier trempé; - Point de ramollissement élevé,permettant un emploi continu jusqu'à 500 C; - On signalera aussi sa resistance remarquable au choc ther mique ,contrairement au basalte fondu ;il resiste même à l'action du chalumeau oxyacètylenique sans se désagréger. - En conclusion d'un essai hydrolytique, il apparait que le materiau I95 est classé,avec les verres courants,dans la Classe 3 ,selon les normes françaises ,resistant donc à l'eau pure,aux acides et aux bases. - Obtenu par fusion et se prêtant à toutes les operations ver rières ,on peut le: former par moulage ,par laminage ,par ex trusion ,par fibrage ,par granulage ;il peut entre poli, émaillé., Il reaulte de ce qui précède et de mesures thermiques que le materiau I95 defini par le Tableau 2 constitue un produit nou veau apte à capter l'énergie solaire et stocker la chaleur selon des procédés qui vont être décrits. I - @@a@tage de l'Energie Solaire - On savait que l'addition d'oxydes de fer à des compositions de verres transparents les rendait opaques au roayonnement infra-rouge Par exemple, une addition de 4% d'oxyde ferreux abaisse de 92 à 53% la transmission du rayonnement de la longueur d'onde= 0,5 . On pouvait donc présumer que le verre noir "195",dans la composition duquel intervient I7,64 % d'oxyde ferrique se comportat davantage encore en "corps noir" ,ne radiant Pas et stockant l'énergie calorique reçue ,ainsi qu'on le desire dans les problèmes concernés par son captage ,et aussi Par son accumulation qui sera examinée plus loin. Concernant le cap@@ge de l'énergie solaire ,deu@s dispositifs mettant en oeuvre le materiau I95 dans les capteurs sont l'objet de l'invention - Dans un premier dispositif proposé par l'invention, le materiau 195,qui est aisçment laminable, est réduit en lames minces de 2 à 4 Il d'épaisseur, par exemple , ,à surfaçe lisse ou striée, pour constituer des capteurs à ruissellement sous effet de serre. - Selon un deuxième dispositif, le verre I95 est broyé ,selon l'ex- perience,à une granulometrie comprise entre 40 et 70 et projeté dans un plasma d'hydrogène ou d'azote ,à une épaisseur de 100@@ sur un subjectile metallique ,qui peut être la totale plane consti tuant le capteur L'experience a montré eu'afin de protéger le support métallique contre la corrosion,il y avait lieu de projeter de préference à une poudre de serre I95 ,un mélange comportant ,à la granulo métrie definie ci-dessus, 90 g de verre I95 et 10% de zinc. L'experience montre que le revêtement I95 projeté dans le plasma adhère remarquablement au métal ,resistant au choc du marteau et au poinçonnage en se matant comme un métal déux,sans éclater; Plus adherent que les peintures,il coûte moins cher. La fiabilité d'emploi du materiau I95 dans la constitution des capteurs solaires est confirmée par les resultats de son étude thermique . Son absorption et son emissivité ont eté étudiées sur revêtement de verre 195 déposé par projection dans un plas la d'hydrogéne,sur supports Dural et acier. - Sur support Dural,le facteur spectral d'absorption &alpha; a et mesuré pour des longueurs d'onde comprises entre 380 et 1100 nm. les resultats figurant au Tableau 4 , Pfigurant le flux reflechi Tableau 4 t Mesure du facteur spectral d'absorption @% @&alpha; @nm # % &alpha; @nm #% &alpha; 380 5,5 94,5 540 ,9 93,I 700 7,I 92,9 400 5,8 94,2 560 6,9 93,I 750 7,o 93 420 6 94 580 6,9 93,I 800 6,9 93,1 440 6,2 93,8 600 6,9 93,1 850 6,8 93,2 460 6,3 93,7 620 6,9 93,I 900 6,7 93,3 480 6,4 93,6 640 6,9 93,1 950 6,7 93.3 500 6,6 93,4 660 7,0 93 I000 6,6 93,4 520 6,8 93,2 680 6,9 93,1 1050 6,5 93,5 1100 6,3 93,7 L'émissivité a eto mesurée à 100 C dans le domaine spectral de 0,6 à 40 M.Le facteur total d'èlissivité est de t = 0,91 # 0,02 - Sur support acier de surface # égale à- I20 r 120@, chauffée à l'aide d'une lampe étalonné@ on a,dans une serie differente d'essais , mesuré le flux ##TT 4 pour determiner l'émissivité infra-rouge . - Deux series de trois mesures ont eté effectuées à 80 et à 1000C . La valeur moyenne de la mesure étant = 0,94 -- Selon l'invention ,il est possible ,comme on le souhaitewde réduire l'éiissivité des surfaçes receptrices du capteur cons titué de materiau I95 , par projection dans un plasma d'hydro- géne ou de vapeur d'eau d'un film superficiel mince d'oxydes métalliques -de chrome, de cuivre ou de manganése,par exemple 2 - Stockage de la Chaleur - La densité du materiau 195 étant voisine de 3,et sa chaleur spécifique etant de C = 0,18 cal/gr/ C on peut présumer que sa capacité de stockage de la chaleur sera bonne ,équivalente aux 3/5e descelle de l'eau. La vitesse d'écoulement de la chaleur ,qui est importante, a eté étudiée dans un milieu de sphérules de verre I95 d'un dialetre variant de 2 à 4 mm(densité apparente 2,08,p.orosité de 34% ) ,les resultats ,ainsi que le mode operatoire figurant dans la 4e Addition n074 31 602 (p.3 & 4)du brevet français I.504.4I6, sont les suivantes(verre 195 issu de mines de fer) -Conduetion Thermique # : 0,33 (Kcal/m/h/ C - Diffusivité Thermique Q = 0,82 10-4.m2.h. Des mesures thermiques de verre granulaire I95 issu de scories de plomb, designé sous le aigle conventionnel de P3, et compor tant ,sous forme d'impureté,8% de zinc , ont donné les resultats suivants s #= 0,18 (Kcal /m/h/ C Q = 018I 10-4.m2.h. Le mode d'écoulement de la chaleur danse milieu sphérulaire I95 a eté defini à l'aide de sondes thermometriques disposées à des distances definies de la source de chaleur (bougie chauffante coaxiale au conteneur cylindrique ),permettant de constater que la concentration de la chaleur stockée diminue, selon une loi exponentielle, à mesure que l'on s'éloigne vers la periphérie ,confirmant les propriétés à la fois thermo-accu- mulatrices et isolantes du milieu consideri. Dans l'experimentation évoquée, l'espace intergranulaire etait occupé par de l'air statique ,mais,dans la pratique, l'accumula@@@ thermique serait le siège de la circulation d'un fluide - air pulsé, ou huile thermique ,ou soude - le materiau I95 en réduisant économiquement la masse de circulation, et resistant remarqua blement, comme on l'a vu, à la chaleur et au choc thermique, ainsi que, concernant en particulier la soude ,à l'action cor rosive des bases chaudes Selon une autre disposition de l'invention, le materiau I95, au lieu de constituer un milieu poreux accessible à un fluide caloporteur de circulation, peut intervenir dans la construction même de l'accumulateur sous la forme de masses homogènes co lé s (briques, dalles parements..) - Le pris compétitif du materiau I95 permet de résoudre économi- quement le probléme du stockage saisonnier de l'énergie solaire dans l'habitation,les capteurs solaires accumulant la chaleur d'été pour la reatituer à la saison froide .Le stockage s'opererait, selon l'invention, dans des fosses-accumulateurs remplies de verre 195 subjaçentes à la construction. La même solution ,se situant toutefois à une échelle plus grande, concerne les centrales thermiques ,et,particulié@ement ,les centrale@ nucléaires ,où le caloul du seuil de rentabilité du stockage ther- mique en heures creuses est determiné de la même maniére que celui de la retenue d'eau dans les barrages hydrauliques. B R E V E N DI C A T I O R S - I - Produit obtenu par vitrification d'un mélange de silice à raison de 40 à 50% en poids, de 4 à 8% d'alumine, de 20 à 30% de chaux et de 4 à 8k d'oxyde de sodium, ainsi que de I5 à 30% d'oxyde de fer, permettant de capter l'énergi@ solaire et de stocker la chaleur. 2 - Produit de composition delimité par la revendication I, se caracterisant en ce qu'il est obtenu par moulage,ou extrusion,ou laminage ,ou granulage ,à partit de déchets miniers ou metallurgiquas (déchets d'enrichissement de minerais de fer ou minerais pauvres, scories de zinc et de plomb,boues rouges de bauxite et de titane..) 3- Produit obtenu selon les revendications I et 2, caracterisé en ce qu'il est laminé en lames minces pour constituer l'élement recepteur des capteurs à effet de serre. 4 - Produit obtenu selon les revendications I et 2 caracterisé en ce qu'il est broyé entre 40 et 70 et projeté dans un plasma d'hydrogéne ou d'azote pour recouvrir une tôle métal lique d'un recouvrement absorbant appelé à capter l'énergie solaire 5 - Procédé réduisant le facteur d'émîssivité caracterisé en ce que l'on recouvre la face réceptrice de captage obtenue selon les revendications 3 et 4 d'un film mince continu d'oxyde de chrome,ou(et) d'oxyde de cuivre,ou(et) d'oxyde de manganèse pàr projection dans un plasma d'hydrogéne ou de vapeur d'eau. 6 - Produit defini par les revendicationsI et ? ,caracterisé en ce qu'il sert à stocker la chaleur ,obtenu sous la forme de materiau compact ou granulaire,et employé seul ou en as sociation avec des fluides caloporteurs pouvant être agressifs comme la soude ,et resistant à des temperatures jusqu'à 5000C. 7 - Procédé de régulation thermique saisonniére dans l'habitation par l'énergie solaire,et d'accumulation thermique des centrales nucléaires en heures creuses ,caracterisé en ce que le pro duit defini par les revendications I et 2 et 6 est enfoui sous terre en masse suffisante, en vue d'accumuler la chaleur reçue et de la restituer par un réseau approprié d'échangeurs.