Brevet FR2512527A1 — publié le 19830311

La présente invention concerne une chaudière a aluminium permettant de chauffer de 1' eau ou de 1' amener à 1' état de vapeur par 1' intermédìaire d' une réaction chimique éxothermique aui libére également de 1' hydrogène gazeux, AL + 3 H20 AL ( OH ) 3 + I.5 R2 Les chaudières actuelles utilisent comme sources d' énergie du bois, du charbon, du mazout, qui sont des combustibles épuisables, d' autre part elles présentent toutes un conduit de fumée causant des pertes de calories et en même temps une certaine pollution. La chaudière selon 1' invention est caractérisée par le fait qu' elle est principalement constituée de deux échangeurs thermiques mis en série, d' un réacteur diffusant les calories produites par la réaction de 1' aluminium avec 1' eau et 1' hydroxyde de sodium ou de potassium dans le premier échangeur thermique, et d' un brûleur d' hydrogène diffusant les calories dans le deuxième échangeur thermique ; le produit de réaction est de de 1' hydroxyde d' aluminium qui peut être recyclable. D' autre part cette chaudière ne présente pas de conduit de fumée. Les dessins annexés illustrent à titre d' exemple un mode de réalisation du dispositif conforme à la présente invention. La figure I présente 1' ensemble de la chaudière; pour la commodité du dessin le réservoir d' aluminium et son conduit ont été déportés sur la surface utile du dessin. La figure 2 est un schéma de 1' alimentation des différents organes électrique. La chaudière à aluminium présentée comprend un réacteur 3 constitué d' une cuve verticale en acier, cylindrique, fermée à sa partie supérieure par une calotte sphérique, et à sa parte inférieure par un cône pointe en bas permettant une meilleur évacuation de 1' hydroxyde d' aluminium 16 formé; une grille I7 métallique soudée dans la partie basse du cône permet de retenir 1' aluminiu dans le réacteur 3. Un échangeur thermique I en acier est logé dans ce rédacteur 3, il est constitué par exemple d' un volume creux, cylindrique dont la périphérie est fortement ondulée; de part et d' autre de cet échangeur thermique I sont connectés deux conduits II et I2 permettant 1' entrée et la sortie d' un fluide de transfert de chaleur hors du réacteur 3.Au dessus de la partie supérieure de 1' échangeur thermique I est placé un couvercle I4 de façon à éviter les projections de gouttes d' électrolyte 13 dans les conduits 26, 30, 38 qui débouchent du réacteur 3. La partie inférieure du cône du réacteur 3 est raccordée à un conduit 7 vertical de longueur suffisante pour permettre la décantation et le rinçage de 1' hydroxyde d' aluminium, ce rinçage étant produit par un conduit d' eau 6 sous pression munie d' une électro-vanne I5 commandée par des moyens décrits ultérieurement.La partie inférieure du conduit 7 se termine par un dispositif d' évacuation de 1' hydroxyde d' aluminium I6, pouvant être une pompe I8 constituée d' un stator dont la chambre cylindrique enferme un rotor 19 entraîné par un moteur électrique 20; cette chambre présente une creusure 21 latérale formant chambre de dépression à 1' extrémité de laquelle débouche le conduit 7 et a 1' autre extrémité de laquelle débouche une tubulure 22 d' évacuation.Le rotor 19 porte plusieurs palettes 23 télescopiques soumises à 1' action de ressorts tendant à produire leur extension radiale vers 1' extèrieur. La vitesse du roter I9 devra ètre lente et commandée par des moyens de contrôle et régulation décrits ultérieurement. T' hydroxyde d' aluminitini 16 os récupéré à la sortie de la pompe I8 dans un container 24 de façon à étre recyclé. Sur la partie inférieure du rédacteur 3 se raccorde un conduit 5 oblique permettant 1' introduction de 1' aluminium 46 dans le réacteur. L' extrémité supérieure dc ce conduit 5 doit étre plus haute que le niveau de 1' électrolyte I3; ce conduit 5 présente également à son point de raccordement avec le réacteur 3, un pan incliné 25 vers la partie supérieure du réacteur 3, de façon à éviter le retour de 1' hydrogène dans ce conduit 5.La partie supérieure du réacteur 3 présente sur son axe un conduit 26 contenant une soupape 27 contre 1' action d' un ressort, de façon à ne permettre le passage de 1' hydrogène qu' à une pression donnée; une électro-vanne 28 de sécurité est également agencée sur ce conduit 26 de façon à couper 1' échappement de 1' hydrogène, un gicleur 29 situé sur la partie supérieure de ce conduit 26 permet de constituer un brûleur 4 à hydrogène. Un petit conduit 30 pris à proximité du conduit 26 permet une prise d' hydrogène de façon à accumuler celui ci dans un petit réservoir 31 par 1' intermédiaire d > un compresseur électrique 32, un pressostat 33 situé sur le réservoir 3i permet 1' arrêt du compresseur 32 à une pression donnée.Une veilleuse 36 à proximité du brûleur 4 est alimentée en hydrogène par un conduit 34 débouchant du réservoir 31, ce conduit 34 est également équipé d' une électrovanne 35; la veilleuse 36 est destinée à permettre 1' allumage de 1' hydrogène sortant du réacteur 3. Jne cellule IO photo- sensible est placée en regard de la veilleuse 36 à bonne distance pour ne pas étre endommagée par la chaleur; cette cellule IO permet de couper la sortie d' hydrogène des conduits 26 et 34 dans le cas ou la veilleuse 36 sl éteindrait par 1' intermédiaire d' un dispositif électronique. En cas de surpression dans le réacteur 3 il est prévu un conduit 38 destiné à mettre 1' hydrogéne à 1' air libre à 1' aide d' une soupape 39 contre 1' action d' un ressort; Un robinet 40 manuel est connecté de part et d' autre de la soupape 39 , il permet une mise à 1' air libre de 1' hydrogène en cas de dépannage, à cet effet il sera alors utile d'introduire par exëmple de l'azote dans le réacteur par le conduit 5 pour purger l'hydrogène restant afin d'éviter tout risque d'explosion. Le réacteur 3 est maintenu par des pattes 41 de-fixation, il est ensuite entouré de laine de verre 42 pais d'une enveloppe métallique 43 en tôle fine. Dans cet état, le réacteur 3 peut être rempli d'électrolyte 13 constitué d'environ 20% d'Hydroxyde de sodium ou de potassium dilué dans de l'eau, de façon à couvrir l'échangeur thermique 1 sans dépasser la calotte 14. L'électrolyte 13 monte également dans le conduit 5 ; le contrôle du niveau d'électrolyte 13 étant agencé sur ce conduit 5, il peut être constitué par deux sondes 44 disposées entre le niveau à ne pas dépasser. Ces deux sondes 44 sont constituées par un isolant traversé par un conducteur de préférence en acier inoxydable. Le contrôle s'effectue par mesure de la résistance électrique entre ces deuxpoillts à l'aide d'un dispositif électronique commandant une électro-vanne 45 amenant de l'eau sous pression dans le réacteur 3 par le conduit 6. Au-dessus de l'ouverture du conduit d'aluminium 5 est disposé un conduit 47 d'où abouche un container 9 dans lequel se trouve de l'aluminium 46 en morceaux, en copeaux ou en poudre de dimension sensiblement égale. Deux électro-aimants 48 positionnés l'un au-dessus de l'autre, à l'extrêmité de ce conduit 47, permettent le contrôle du débit d'aluminium 46. La partie mobile de chaque électro-aimant 48 doit permettre d'introduire dans lé conduit 47 un ergot 49 ou une palette contre l'action d'un ressort de façon à faire obstacle au passage des morceaux d'aluminium 46 ; lorsque les électro-aimants 48 ne sont pas sous tension, l'ergot 49 ou la palette de chaque électro-aimant 48 fait saillie dans le conduit 47. Dans certains cas il est également possible dtintroduire de de l'aluminium en copeaux pour cela il faudra placer au dessus du container un broyeur qui fragmentera ces copeaux. Le deuxième échangeur thermique 2 est constitué d'un tube 50 à ailettes extérieures ; il est maintenu verticalement au-dessus du réacteur 3 par des pattes de fixation 51. Ce tube 50 est fermé dans sa partie supérieure et reçoit un réservoir 52 cylindrique contenant un liquide de transfert de chaleur. Cet échangeur thermique 2 est connecté à sa partie inférieure par le conduit 12 et à sa partie supérieure par un conduit 53 ; ce dernier est le départ eau chaude ou vapeur de la chaudière ainsi constituée. I1 faut prévoir un espace ou une prise d'air entre le tube 50 et le brûleur 4 pour permettre la combustion de l'hydrogène. L'échangeur thermique 2 est entouré de laine de verre 54 puis d'une enveloppe en tôle fine 55. Les moyens de contrôle et de régulation sont décrits à la figure 2 à titre d'exemple par un schéma général. Tous les éléments sont alimentés par un courant continu basse tension ; en cas de panne de courant une batterie auto-commutable peut assurer l'alimentation des élements électriques et électroniques. Ces moyens comprennent : l'admission d'alumineum dans le réacteur 3, constituée d'un dispositif électronique 56 à largeur d'impulsion réglable ; ce dispositif 56 agit sur un relai électrique 60 mettant sous tension l'un ou l'autre des électro-aimants 48. Le thermostat 8 coupe l'alimentation des électro-aimants 48 si la température affichée est supérieure. L'évacuation et le rinçage de l'hydroxyde d'aluminium sont constituée dtun dispositif électronique 57 à largeur d'impulsion réglable agissant sur un relai électrique 61 mettant sous tension tour à tour l'électro-vanne 15 et la pompe 20. Un dispositif électronique 58 d'admission d'eau, sensible à la variation de résistance des sondes 44, mettant sous tension l'électro-vanne 45; cette dernière étant fermée au passage d'un fluide dans le cas où elle n'est pas alimentée. Un système de sécurité constitué d'un dispositif électronique 59 commandé par une cellule photo-sensible lo de façon à couper la mise sous tension des élecro-aimants 48 et des deux électro-vannes 28 et 35 si la cellule lo n'est pas éclairée par la veilleuse 36 ; les deux électro-vannes 28 et 35 étant fermées au passage de gaz si elles ne sont pas sous tension. Les dispositifs électroniques 56 et 57 sont chacun équipé d'un bouton de réglage 62 et 63 permettant- d'agir sur la largeur des impulsions, le thermostat 8 sera également muni d'un bouton de réglage 64 dé température. Ces trois boutons 62,63 et 64 pourront être reliés mécaniquement de façon à être commandés par un seul bouton affichant la température. Ces différents moyens de contrôle et de régulation se terminent par un comresseur 32 mis sous tension par l'intermédiaire d'un pressostat 33. La chaudière selon l'invention pourra être utilisée pour les industries de la métallurgie, de l'aluminium tel que fonderies, décolletage... En effet, des centaines de tonnes de sciure de copeaux, de mauvaises pièces sont chaque année revendues au rebut alors que ces industries doivent faire dans ce même temps face à des notes pétrolières considérables. Cette chaudièreApourra également être utilisée pour le chauffage collectif et individuel. La grande quantité d'hydroxyde d'aluminium qui pourrait être produite serait recyclée en aluminium durant les heures creuses par les centrales hydro-électriques ou nucléaires. Elle pourrait ensuite être réintroduite dans les chaudières ; le recyclage permettrait de pouvoir stocker de l'énergie à long terme vu qu'une tonne d'aluminium représente un potentiel énergétique d'environ 11,6 mégawatts/heure. B'hydioxyte peut d'autre part être utilisé directement par les industries de construction réfractaire. S '1',NDICA TONS 1. Chaudière à aluminium caractérisée par le fait qu'elle comprend, en combinaison, deux échangeurs thermiques mis en série, un réacteur diffusant les calories produites par la réaction de l'aluminium avec l'eau et l'hy- droxyde de sodium ou de potassium dans le premier échangeur thermique1 un brûleur d'hydrogène diffusant les calories dans le deuxième échangeur thermique, un moyen permettant d'admettre l'aluminium dans le réacteur, un moyen permettant d'admettre de l'eau dans le réacteur, un moyen permettant d'évacuer du réacteur l'hydroxyde d'aluminium formé -tout en le rinçant, un moyen permettant d'obtenir l'allumage de l'hydrogène près du brûleur, un moyen permettant le contrôle de température, un réservoir d'aluminium, un un dispositif de sécurité ; l'ensemble étant agencé de façon à fonctionner automa- tiquement par l'intermédiaire de dispositifs électroniques ou électro-mécaniques. 2. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 caractérisée par le fait qu'un des échangeurs thermiques peut être immergé dans l'électrolyte du réacteur ou aménagé à l'extérieur du réacteur, l'autre échangeur ther Inique étant agencé autour d'un tube collectant la flamme venant du brûleur à hydrogène, et ceci de façon à permettre la circulation d'un fluide de transfert de chaleur à travers ces deux échangeurs thermiques. 3. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 caractérisée par le fait que la quantité d'aluminium admise dans le réacteur détermine la tem pérature de fonctionnement de la chaudière, ce contrôle de la température étant agencé par un dispositif électronique ou éleetro-mécanique permettant de commander à une fréquence réglable à volonté ltobturation en on deux -temps du conduit inférieur d'un réservoir d'aluminium de façon à introduire cet aluminium suivant le cas granule par granule, barreau par barreau ou poudre grossière par quantité sensiblement égale, cet aluminium tombant direc tement dans la partie inférieure du réacteur par un conduit oblique dont l'ouverture supérieure dépasse largement le niveau de ltélectroly-te;; l'ad mission de l'aluminium pouvant être interrompue par un thermostat réglable dont la sonde est logée dans le réacteur. 4. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 caractérisée par le fait que l'hydroxyde d'aluminium formé est évacué du réacteur par décan tation dans un conduit vertical muni à son extrêmité inférieure d'une arrivée d'eau sous pression commandée par une électro-vanne et d'une pompe d'extraction ; le fonctionnement cyclique de la pompe et de lté- lectro-vanne par une commande électronique ou électro-mécanique permet à l'hydroxyde d'aluminium d'être exprimé hors de la pompe tout en étant déchargé de son hydroxyde de potassium ou de sodium par l'intermédiaire du passage de l'eau remontant vers le réacteur. 5. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 caractérisée par le fait que le moyen permettant le contrôle du niveau d'électrolyte est constitué d'une source d'eau sous pression et d'une électro-vanne commandée par un dispositif électronique lui-même commandé par deux sondes sensibles à une variation de résistance de telle sorte que si l'électrolyte dépasse la deuxième sonde liteau ne peut entrer dans le réacteur. 6. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 et 2 caractérisée par le faot que l'hydrogène sortant du réacteur est brûlé à l'extrémité d'un conduit muni d'un gicleur constituant un brûleur à gaz, l'allumage étant assuré par une veilleuse alimentée par un réservoir annexe mis sous pression par de lthydrogène pris dans le réacteur par l'intermédiaire d'un compresseur électrique ; cette veilleuse à flamme pouvant être remplacée par un filament de platine rougi par un courant électrique, ou un arc électrique et des moyens de mise en fonction. 7. Chaudière à aluminium selon les revendications 1 et 6 caractéri sée par le fait que le système de sécurité est constitué d'un système électronique et d'une cellule photo-sensible placée en regard de la veilleusede façon à commander l'arrêt de sortie d'hydrogène et l'admission de l'aluminium dans le cas où la veilleuse s'éteindrait, l'excès de gaz hydro gène dans le réacteur s'évacuant par l'intermédiaire d'une soupape placée. dans un conduit débouchant lui-même à l'air libre. 8. Chaudière à aluminium selon les revendications 1 et 7 caractérisée par le fait que le système de sécurité peut aussi être une sonde thermique placée à proximité du brûleur, qui par dilation d'un liquide quelle contient, agit sur l'ouverture d'un contact ou d'un relai stoppant ainsi l'admission de lraluminium dans le réacteur et les sorties de 1 'hydrogène. 9. Chaudière à aluminium selon Les revendications 1,2, 6 et 7 caractérisée par le fait que le brûleur è flamme peut être remplacé par un brûleur catalytique tel que mousse de platine. 10. Chaudière à aluminium selon la revendication 1 caractériaée par le fait que tous les organes électriques et électroniques peuvent fonctiqn- ner sur courant basse tension continue de façon à être alimentés par une batterie en cas de panne de courant, cette batterie se trouvant en charge contrôleé le reste du temps.