Brevet FR2550465A1 — publié le 19850215

L'invention concerne un appareil-destiné à la dissociation thermique et à la récupération des constituants d'une espèce moléculaire Avec l'amenuisement des réserves de combus5 tibles fossiles, l'attention s'est de plus en plus concentrée sur l'énergie solaire en tant que source d'énergie viable de remplacement à exploiter dans divers appareils industriels et domestiques Les procédés et appareils conçus pour la dissociation thermique de molécules en 10 leurs parties constitutives et pour leur récupération sont particulièrement intéressants Bien que de tels systèmes puissent s'appliquer à un grand nombre de procédés, tels que la production d'hydrogène à partir du méthane et la dissociation de composés polluants ou dan15 gereux, un usage préféré réside dans la production d'hydrogène et d'oxygène à partir de l'eau. Dans tous les essais de captage de l'énergie solaire, le stockage de l'énergie en vue d'une utilisation au cours de périodes d'ensoleillement insuffisant 20 ou pendant la nuit pose un problème Des solutions partielles à ce problème ont consisté à chauffer diverses masses afin d'accro Stre leur réserve d'énergie thermique par des accroissements de température, des changements de phase ou des réactions chimiques réversibles Cependant, 25 de tels systèmes sont affectés de nombreux inconvénients dus à la faible qualité de la chaleur concernée, au moyen de récupération de l'énergie et à la dégradation du système Par ailleurs, si l'eau est décomposée en hydrogène et en oxygène, on obtient un combustible valable, brûlant 30 proprement, ce qui élimine de nombreux problèmes de l'art antérieur. Divers collaborateurs ont, dans ce domaine, préconisé cette démarche Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 030 890, par exemple, indique l'utilisation 35 d'un réflecteur parabolique pour concentrer le rayonnement solaire afin de dissocier thermiquement de-la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène La séparation des constituants respectifs est obtenue par passage de ces constituants dans un carter en spirale afin de séparer les constituants plus lourds des constituants plus légers. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 053 576 décrit également un système destiné à produire et séparer 5 de l'hydrogène et de l'oxygène de l'eau Dans ce système, l'eau est dissociée thermiquement par de l'énergie solaire concentrée, et on réalise la séparation en permettant à l'hydrogène de diffuser préférentiellement à travers les parois d'une enceinte perméable. Cependant, les deux brevets précités présentent de nombreux défauts Le problème le plus évident, commun aux deux systèmes, réside dans le fait que l'eau doit être placée dans une enceinte conductrice de la chaleur, sur laquelle l'énergie est concentrée et qui doit être capable de supporter la chaleur intense demandée pour la dissociation thermique A des températures de l'ordre de 1800 à 3500 kelvins, il est difficile de trouver des matériaux qui conviennent à une enceinte étanche aux gaz ou à une enceinte de perméabilité spécifique. Un second problème commun résulte du manque de moyenspour empêcher rapidement une recombinaison des constituants séparés. La présente invention évite ces problèmes et réalise la séparation souhaitée d'une manière originale 25 et nouvelle. Conformément à l'invention, il est prévu un procédé et des moyens de décomposition thermique et de récupération des constituants ou des composés provenant d'une ou plusieurs espèces moléculaires D'une manière générale, l'espèce est chauffée par de l'énergie solaire concentrée afin d'être dissociée thermiquement en ses parties constitutives Les constituants sont ensuite rapidement refroidis pour éviter la recombinaison, puis ils peuvent être séparés en fractionsde masses molécu35 laires relativement lourdes et légères à l'aide d'un récupérateur à faisceau moléculaire, afin d'être récupérés. L'invention est particulièrement utile à la séparation de l'eau en hydrogène et en oxygène pour la production de ces éléments en tant que tels, ou dans une installation à énergie solaire comportant un dispositif de stockage efficace de l'énergie. Dans une forme préférée de réalisation d'un appareil convenant à la mise en oeuvre de l'invention, un réflecteur à coupole parabolique est utilisé pour rassembler et concentrer le rayonnement solaire incident. Une enceinte ayant une paroi ou un couvercle transparent est placée sur le trajet du rayonnement convergent La 10 lumière passe à travers le couvercle et est concentrée à ou à proximité d'un orifice de sortie ménagé dans une paroi intermédiaire de l'enceinte Des matières gazeuses de charge entrant dans l'enceinte par un orifice d'entrée sont ainsi obligées de passer à travers une zone de rayonnement solaire intense avant d'être évacuées par l'orifice de sortie. On peut éviter une recombinaison des produits de la dissociation thermique en permettant aux produits chauffés de se dilater et de refroidir en passant dans 20 l'orifice Si les gaz atteignent un écoulement supersonique, les produits peuvent également être séparés en courants en fonction de leur masse moléculaire relative, à l'aide d'un récupérateur à faisceau ou d'une chicane de séparation, placé en aval de l'orifice. L'invention sera-décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est un graphique indiquant la concentration d'espèces dans le cas de H 20 à l'état 30 d'équilibre, en fonction de la température; la figure 2 est un graphique montrant la concentration d'espèces dans le cas de H 20 à l'état d'équilibre en fonction de la pression; et la figure 3 est une coupe longitudinale 35 schématique partielle d'un appareil convenant à la mise en oeuvre de l'invention. Des concentrateurs d'énergie solaire, tels que des réflecteurs paraboliques, peuvent être utilisés pour la dissociation thermique des molécules d'eau Un graphique des constituants obtenus en fonction de la température est illustré sur la figure 1, pour une pression de 1 mm de mercure Comme représenté sur cette figure, 5 l'eau commence à se dissocier à des températures inférieures à 2000 kelvins et elle est totalement dissociée en hydrogène mono-atomique et en oxygène à une température d'environ 3200 kelvins De l'hydrogène diatomique et de l'oxygène, ainsi que des groupes hydroxyle, exis10 tent en équilibre avec les constituants de dissociation, à des températures intermédiaires Conformément au principe de Le Chatelier, des pressions plus élevées favorisent la formation des espèces combinées, et la figure 2 est un graphique donnant la concentration des espèces à l'état 15 d'équilibre en fonction de la pression, à une température de 2800 kelvins. La figure 3 représente un appareil convenant à la mise en oeuvre de l'invention Comme représenté et comme décrit plus en détail ci-après, une enceinte 10 20 comportant un couvercle transparent 12 est associée à un réflecteur parabolique 14 Un orifice d'entrée 16 est ménagé dans l'enceinte 10 pour l'introduction de vapeur d'eau à l'intérieur d'une première chambre 18 de l'enceinte Un orifice 20 en céramique est ménagé dans une 25 paroi intermédiaire 22 de l'enceinte, à proximité du foyer du réflecteur, et cet orifice constitue une sortie pour les effluents constitués des produits de dissociation thermique et pour toute vapeur d'eau non transformée provenant de la chambre 18 L'effluent de l'enceinte 10 30 pénètre par l'orifice céramique dans une seconde chambre 24 L'orifice 20 est conçu de manière qu'aux pressions respectives régnant dans les chambres, un écoulement sonique se produise à travers l'orifice et un écoulement trans-sonique se produise en aval de l'orifice dans la 35 seconde chambre 24 Une chicane tubulaire 26 de séparation s'étend à travers une paroi arrière 28 de l'enceinte pour pénétrer dans la zone de l'onde de choc produite par l'effluent Les composants les plus lourds du courant tels que l'oxygène et toutes molécules d'eau non transformées, sont de préférence séparés, par la chicane 26, de l'hydrogène qui sort de la chambre 24 par un conduit 30. Le réflecteur parabolique 14 montré sur la figure 3 n'est évidemment donné qu'à titre d'exemple d'un type de moyens de concentration du rayonnement solaire pouvant être utilisé avantageusement Le réflecteur peut être réalisé en verre argenté, en métal poli ou en toutes 10 autres matières connues dans la technique, capables de réfléchir convenablement le rayonnement solaire incident parallèle vers le foyer Des coupoles réfléchissantes ayant un rapport de concentrations de 2000:1 ou plus sont préférées pour obtenir les températures demandées. 15 Un réflecteur à auge parabolique allongée peut également être utilisé Dans ce cas, la géométrie de l'orifice céramique et de la chicane de séparation doit prendre une forme linéaire s'étendant le long de la ligne focale De plus, des lentilles convexes ou des 20 lentilles de Fresnel peuvent être utilisées pour concentrer les rayons du soleil sur l'orifice de sortie d'une chambre remplie de vapeur, disposée au-dessous de la lentille. De préférence, la coupole parabolique est montée sur un châssis mobile (non représenté) pour suivre le trajet apparent du soleil lors de son mouvement dans le ciel Ces moyens de poursuite sont bien connus de l'homme de l'art et il est inutile de les décrire plus en détail. L'enceinte 10 est montée le long de l'axe central de la coupole parabolique, à une distance quelque peu inférieure à la distance focale du réflecteur L'enceinte présente un ou plusieurs orifices d'entrée 16 permettant l'introduction de vapeur d'eau Aucune matière 35 particulière n'est demandée pour la réalisation de l'enceinte, bien qu'il soit demandé aux matières utilisées une résistance suffisante pour supporter, à travers les parois de l'enceinte, la différence entre la pression atmosphérique et la pression de la vapeur d'entrée, qui est normalement au maximum d'environ 100 k Pa. Un couvercle transparent 12 est fixé hermétiquement sur l'extrémité de l'enceinte 10 tournée vers le réflecteur afin de transmettre le rayonnement convergent à l'intérieur d'une première chambre 18 de l'enceinte. Le couvercle est de préférence réalisé en quartz ou en verre trempé et il doit avoir une aire, en section, assez grande pour recevoir le rayonnement à convergence conique 10 sans souffrir de températures extrêmes. L'orifice céramique 20 est ménagé dans une paroi intermédiaire 22 de l'enceinte, à proximité du foyer du réflecteur La totalité de la charge gazeuse d'entrée est forcée vers la chambre 18 de sortie à tra15 vers l'orifice et passe donc dans une zone d'intenses concentration d'énergie L'orifice est de préférence réalisé dans du quartz, du molybdène ou de l'acier inoxydable, avec un revêtement céramique constitué d'un oxyde de terres rares tel que de l'oxyde de zirconium, de l'oxyde de thorium ou de l'oxyde d'hafnium, stabilisé avec de l'oxyde de calcium ou de l'oxyde de magnésium. La zircone cubique stabilisée est particulièrement préférée L'orifice fini doit pouvoir supporter des températures atteignant 3200 kelvins, et de préférence 4000 kelvins Bien que la forme de l'orifice ne soit pas trop critique, c'est-à-dire qu'une tuyère conique, de Laval, à orifice à plaque mince, ou sonique puisse être utilisée, une tuyère conique est préférée Quelle que soit la géométrie, l'orifice est de préférence dimensionné de manière 30 que l'effluent le parcourant atteigne une vitesse supersonique et produise une onde de choc stable en aval de l'orifice. L'effluent pénètre par l'orifice 20 dans une seconde chambre 24 En général, la seconde chambre doit 35 être de dimensions réduites pour interférer au minimum avec le rayonnement solaire arrivant au réflecteur, mais elle doit être suffisamment grande pour permettre le développement de l'onde de choc souhaitée Une chicane tubulaire 26 de séparation, ou un séparateur, s'étend à travers une paroi arrière 28 de l'enceinte 10 pour établir un trajet d'écoulement pour le volume central de l'effluent traversant l'onde de choc Ce dispositif retient ou sépare efficacement les espèces de masses moléculaires relativement lourdes, telles que l'oxygène et l'eau non transformée, du courant enrichi en hydrogène qui sort de la chambre 24 par le conduit 30 Normalement, le conduit et le récupérateur 26 sont reliés à des pompes à vide 10 afin d'assurer la pression différentielle appropriée à travers l'orifice pour produire l'onde de choc. La brusque dilatation se produisant dans l'orifice, sous l'effet de la chute de pression, refroidit considérablement les produits gazeux et s'oppose efficace15 ment à la recombinaison. Dans les conditions préférées de travail, de la vapeur surchauffée est introduite dans l'appareil à une pression d'environ 265-10 130 Pa et est déchargée dans l'enceinte supérieure à une pression d'environ 13520 48 000 Pa Généralement, l'aire de l'orifice établit un rapport de 1:1 000 000 avec l'aire de la coupole, à ces pressions. Bien que l'appareil précédent ait été particulièrement décrit dans son application à la dissociation 25 thermique de l'eau, il convient de noter qu'il peut être utilisé pour la dissociation thermique de divers composés et pour la récupération de leurs parties constitutives. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits 30 et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de décomposition thermique d'une matière gazeuse en ses espèces constitutives et de récupération séparée de ces espèces, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer la matière pour en dissocier thermiquement au moins une partie en ses espèces constitutives, à l'aide d'énergie solaire concentrée, à faire passer les espèces constitutives dans un orifice ( 20) pour produire un jet moléculaire supersonique, et à séparer le 10 jet, à l'aide d'un récupérateur ( 26) à faisceau, en courants relativement lourds et légers, enrichis en molécules. 2 Procédé de dissociation thermique de la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène, caractérisé en 15 ce qu'il consiste à chauffer la vapeur d'eau pour en dissocier thermiquement au moins une partie en hydrogène et en oxygène, à l'aide d'énergie solaire concentrée, à faire passer l'hydrogène, l'oxygène et la vapeur d'eau non transformée dans un orifice ( 20) pour produire un 20 jet moléculaire supersonique, et à séparer le jet, à l'aide d'un récupérateur ( 26) à faisceau, en un courant enrichi en hydrogène et en un courant enrichi en oxygène. 3 Procédé de décomposition thermique d'une matière gazeuse en ses espèces constitutives, caractérisé 25 en ce qu'il consiste à chauffer la matière pour en dissocier thermiquement au moins une partie en ses espèces constitutives, à l'aide d'énergie solaire concentrée à proximité immédiate d'un orifice ( 20), et à faire passer les espèces constitutives dans l'orifice poqur les refroi30 dir rapidement et empêcher leur recombinaison. 4 Appareil de dissociation thermique d'une matière gazeuse en ses espèces constitutives légères et lourdes, caractérisé en ce qu'il comporte un élément ( 14) de concentration de l'énergie solaire, une enceinte ( 10) 35 qui présente un orifice ( 16) d'entrée pour l'introduction d'une matière gazeuse et un orifice ( 20) de sortie pour l'écoulement d'un effluent formé des espèces constitutives, l'orifice étant placé à proximité du foyer de l'élément de concentration de l'énergie solaire de manière que la matière gazeuse traverse une zone d'énergie solaire concentrée avant de sortir par l'orifice, ce dernier étant dimensionné pour que les conditions de fonctionnement soient telles que l'effluent atteigne un écoulement supersonique en passant dans l'orifice, l'appareil comportant également une chicane ( 26) de séparation placée en aval de l'orifice de sortie et destinée à séparer l'effluent en un courant enrichi en constituant relativement lourd 10 et en un courant enrichi en constituant relativement léger. Appareil de dissociation thermique de la vapeur d'eau en hydrogène et en oxygène, caractérisé en ce qu'il comporte un élément ( 14) de concentration d'éner15 gie solaire, une enceinte ( 10) qui présente un orifice ( 16) d'entrée destiné à l'introduction de vapeur d'eau et un orifice ( 20) de sortie pour l'écoulement d'un effluent constitué d'hydrogène, d'oxygène et de toute vapeur d' eau non transformée, l'orifice de sortie étant 20 placé à proximité du foyer de l'élément de concentration de l'énergie solaire de manière que la vapeur d'eau traverse une zone d'énergie solaire concentrée avant de s'écouler par l'orifice, ce dernier étant dimensionné pour que les conditions de fonctionnement soient telles que l'effluent atteigne un écoulement supersonique en passant dans l'orifice, l'appareil comportant également une chicane ( 26) de séparation placée en aval de l'orifice de sortie afin de séparer l'effluent en un courant enrichi en hydrogène et en un courant enrichi en oxygène. 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de concentration est un réflecteur à coupole parabolique. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'orifice de sortie est de forme conique. 35 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'orifice comporte un revêtement céramique. 9 Appareil de dissociation thermique d'une matière gazeuse en espèces constitutives, caractérisé en ce qu'il comporte un élément ( 14) de concentration de l'énergie solaire et une enceinte ( 10) qui présente un orifice ( 16) d'entrée destiné à l'introduction d'une matière gazeuse et un orifice ( 20) de sortie pour l'éva5 cuation d'un effluent formé des espèces constitutives, ledit orifice étant placé à proximité du foyer de l'élément de concentration de l'énergie solaire afin que la matière gazeuse traverse une zone d'énergie solaire concentrée avant de sortir par l'orifice.