Brevet FR2655714A1 — publié le 19910614

L'invention se rapporte à une chaudière destinée à chauffer un fluide circulant dans un circuit d'utilisation, comportant une cuve contenant un liquide à conductivité non nulle et au moins un jeu d'électrodes plongées dans ce liquide et reliées respectivement aux phases d'un réseau de distribution électrique. Ce type de chaudière, alimentée en eau industrielle, est bien connu, et utilisé soit pour produire de l'eau chaude, soit de la vapeur. Les avantages de ces dispositions sont ltexcellent rendement thermique, puisque l'énergie électrique est dégradée directement dans l'eau à chauffer, et la robustesse des installations qui sont dépourvues de résistances métalliques de chauffage, sensibles à l'oxydation et au vieillissement structural en raison de leur température de travail, nécessairement élevée car le transfert d'énergie de la résistance au liquide se fait d'abord par rayonnement jusqu'à la paroi de séparation de liquide, puis par conduction à travers cette paroi. Néanmoins les chaudières connues dites à chauffage direct par électrodes ont été réservées jusqu'ici à des installations de fortes puissances, en raison, notamment, des conductivités relativement faibles de l'eau utilisable qui exigent, pour pouvoir appliquer des densités de puissance suffisantes, l'utilisation de tensions élevées (couramment de l'ordre de plusieurs kilovolts ou d'une dizaine de kilovolts), et de la nécessité de contrôler et ajuster cette conductivité. En effet, s'il s'agit de production d'eau chaude, on ne peut se permettre d'augmenter notablement la conductivité de l'eau par apport de sels, susceptibles de rendre l'eau chaude inapte à l'utilisation prévue, ou d'augmenter sa corrosivité. Et, dans le cas de production de vapeur, l'apport de sels augmente les risques d'entartrage, et nécessite des purges fréquentes. On rappelle que la densité de puissance, ou puissance dégradée, par unité de volume est le produit du carré du champ électrique et de la conductivité. Par ailleurs, avec une densité de puissance de 4,18 MW par m3, la température de l'eau s'élève d'environ 1"C par seconde, en condition adiabatique. Afin de réaliser des chaudières de moindre importance, qui ne nécessitent pas pour leur utilisation de personnel spécialisé, par exemple chaudières de chauffage central, l'invention propose une chaudière destinée à chauffer un fluide circulant dans un circuit d'utilisation, comportant une cuve contenant un liquide à conductivité non nulle et au moins un jeu d'électrodes plongées dans ce liquide et reliées respectivement aux phases d'un réseau de distribution électrique, caractérisée en ce que le liquide dans la cuve est en quantité limitée et constitué d'un électrolyte à conductivité substantielle réglée et non altérable par passage du courant électrique, et en ce que la chaudière comprend un échangeur où un fluide primaire cede de l'énergie à un fluide secondaire sans que les fluides se mélangent, le fluide primaire étant ledit électrolyte et le fluide secondaire ledit fluide circulant dans le circuit d'utilisation. Comme le fluide circulant dans le circuit d'utilisation est porté à température d'utilisation par l'intermédiaire de l'échangeur, l'électrolyte où la puissance est dégradée par passage direct du courant peut voir sa concentration ionique portée à une valeur élevée sans inconvénients, et en conséquence présenter une conductivité telle que la densité de puissance convenable soit obtenue avec un champ électrique compatible avec une basse tension (soit quelques centaines de volts). Par ailleurs, l'électrolyte étant choisi pour ne pas se dénaturer par suite de réactions aux électrodes, et étant confiné dans la cuve de chaudière, ses propriétés électriques n'évoluent pas sensiblement à l'usage. De tels électrolytes ont été mis au point pour des rhéostats liquides, qui requièrent des propriétés électriques voisines ; on peut citer des solutions de benzoate de sodium à des concentrations de l'ordre de 50-100 g/l, ou d'hydroxyde de sodium à 10-50 g/l. On notera toutefois que les rhéostats liquides utilisés pour le démarrage de moteurs asynchrones, sont mis en oeuvre de façon transitoire, et la température de l'électrolyte évolue entre la température ambiante et quelques dizaines de degrés centigrades, tandis que, pour la mise en oeuvre de l'invention, il faut tabler sur une température permanente de l'électrolyte entre 70 et 900C par contre, les densités de puissance seront normalement inférieures aux densités de puissance pratiquées avec les rhéostats liquides. En disposition préférée, la chaudière comporte des moyens de contre-électrodes, électriquement unipotentiels, définissant conjointement avec les électrodes, une configuration de champ électrique telle qu'elle forme des volumes, associés aux électrodes, où se concentre le champ, ces volumes ayant sensiblement tous mêmes configuration et dimensions. Pour obtenir un fonctionnement normal, il convient d'une part, de charger toutes les phases du secteur de façon équilibrée, et d'autre part, de confiner le champ électrique de façon à obtenir, à proximité des électrodes, des densités de puissance peu dispersées, et à distance des électrodes, des champs faibles ou nuls. Les moyens de contre-électrodes forment donc, étant équipotentiels, un neutre artificiel pour équilibrer les phases ; en confinant le champ dans les volumes associés aux électrodes, ils évitent la présence de courants vagabondants dans l'électrolyte.On notera que la distribution du champ est équivalente à un montage en étoile si le courant passe en majorité de chaque électrode aux moyens de contre-électrodes dont la fonction de neutre artificiel est prépondérante, et que la distribution de champ est équivalente à un montage en triangle si le courant passe en majorité d'une électrode à l'autre, les moyens de contre-électrodes ayant alors principalement une fonction de blindage. Dans une première forme de réalisation, les moyens de contre-électrodes sont constitués d'un assemblage de plaques verticales dessinant quatre faces d'un parallélépipède rectangle, avec des cloisons intermédiaires parallèles à deux faces opposées du parallélépipède, et entre elles, pour conférer aux cellules une forme parallélépipédique, les électrodes étant constituées de plaques verticales disposées suivant un plan médiateur des cellules. On comprend qu'ainsi, chaque électrode est disposée au centre d'une cellule, parallèlement à deux faces de cette cellule et à égale distance de ces faces. Entre chaque face de l'électrode et la face de cellule qui lui fait vis-à-vis, le champ électrique est sensiblement uniforme, et ce champ présente une égale intensité dans toutes les cellules et sur les deux faces de l'électrode. On assure ainsi une densité de puissance uniforme dans les volumes associés aux électrodes. En variante les moyens de contre-électrodes sont constitués d'un élément tubulaire à axe vertical qui entoure le jeu d'électrodes, l'élément tubulaire pouvant avantageusement former paroi de cuve, et les électrodes qui présentent des formes qui se répètent d'une électrode à l'autre, par une rotation autour de l'axe de l'élément tubulaire, d'un angle correspondant au déphasage entre phases. De préférence, les moyens de contre-électrodes et le jeu d'électrodes sont dans une cuve formant réservoir d'électrolyte et sont entourés d'un serpentin où circule le fluide du circuit d'utilisation. De préférence également, la chaudière est équipée de moyens de brassage de l'électrolyte dans la cuve. On équipera de préférence la chaudière de moyens thermostatiques pilotant des moyens interrupteurs en série dans les conducteurs de liaison des électrodes au réseau, et fonctionnant en ondes entières. Il est ainsi possible, par régulation de la température de ltélectrolyte, d'adapter la consommation en énergie de la chaudière à l'appel d'énergie du circuit d'utilisation. Le fonctionnement en ondes entières évite les extra-courants de rupture à la coupure de l'alimentation. Il est intéressant de grouper dans une même cuve plusieurs groupes de chauffe avec un jeu d'électrodes des moyens de contre-électrodes et un serpentin échangeur, pour moduler la puissance appelée selon les circonstances. Selon une forme de réalisation où les moyens de contre-électrodes sont constitués d'un élément tubulaire à axe vertical, la chaudière comportera à un premier niveau une cuve cylindrique comportant le jeu d'électrode et l'élément tubulaire, à un second niveau inférieur au premier, un bac formant réservoir d'électrolyte muni d'au moins un échangeur pour le chauffage du fluide d'utilisation, des moyens de pompe puisant dans le bac pour refouler l'électrolyte dans la cuve, une canalisation de retour d'électrolyte de la cuve vers le bac, et des moyens, couplés à la pompe et à la canalisation de retour, pour régler le niveau d'électrolyte dans la cuve. On comprend que la puissance empruntée au réseau pour chauffer l'électrolyte est sensiblement proportionnelle à la surface immergée des électrodes, de sorte que le réglage du niveau d'électrolyte dans la cuve règle la puissance de chauffe. Le niveau d'électrolyte est déterminé par l'égalité des débits de pompe et de canalisation de retour, ce dernier débit étant fonction de la pression hydrostatique à l'entrée de la canalisation de retour. De préférence, dans ce mode de réalisation, les électrodes sont en forme de dièdres avec deux pans réunis par une arrête, celle-ci étant parallèle à l'axe de l'élément tubulaire de contre-électrode à une distance déterminée de cet axe, celui-ci étant dans le plan bissecteur du dièdre l'angle d'ouverture des dièdres est de 36 /N, avec N le nombre de phases du réseau. Les pans de deux dièdres successifs sont ainsi parallèles, et le volume de chauffe est déterminé par l'intervalle entre ces pans. Des caractéristiques secondaires et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue en coupe verticale d'une chaudière selon l'invention ; la figure 2 est une vue en plan d'un ensemble électrodes/contre-électrodes d'une chaudière selon la figure 1 la figure 3 est une coupe selon le plan III-III de la figure 2 la figure 4 est une vue en coupe verticale d'une variante de chaudière selon l'invention ; la figure 5 est une coupe selon le plan V-V de la figure 4. Selon la forme de réalisation choisie et représentée aux figures 1 à 3, une chaudière selon l'invention comporte une cuve 1 dans son ensemble en parallélépipède rectangle, avec une peau d'étanchéité 11 revetue d'un calorifuge 12. Cette cuve est remplie d'un électrolyte, tel qu'une solution aqueuse de benzoate de sodium à 60 g/l ou d'hydroxyde de sodium à 20 g/l. Dans cette cuve 1 sont immergés trois groupes de chauffe 2, 3 et 4 respectivement. Ces groupes de chauffe 2, 3 et 4 sont entourés chacun d'un serpentin échangeur, respectivement 15-2, 15-3, 15-4 branchés en parallèle entre une canalisation d'entrée 15a et une canalisation de sortie 15k pour un fluide à chauffer, tel que de l'eau qui circule dans des radiateurs de chauffage, ou de l'eau chaude à usage domestique ou industriel. Un circulateur 13 puise de l'électrolyte 10 à la partie inférieure de la cuve 1 pour la rejeter près de la surface, afin d'éviter qu'il se forme une stratification de la température d'électrolyte 10. De plus une canne thermométrique 14 est prévue immergée dans l'électrolyte 10, pour régler la puissance appelée sur le réseau en fonction des besoins. Les groupes de chauffe 2, 3, 4 ont des structures semblables, et la description détaillée portera sur le groupe 2. Le groupe comprend un jeu de trois électrodes 21, 22, 23, constituées par des plaques rectangulaires disposées verticalement reliées respectivement, par l'intermédiaire de conducteurs supports 24-1, 24-2, 24-3 et d'un interrupteur 24 aux trois phases 51, 52, 53 d'un réseau de distribution électrique. Ces électrodes 21, 22, 23 sont disposées à l'intérieur d'une structure de contre-électrode 20 parallélépipédique avec deux faces latérales 20a et 20k verticales, parallèles entre elles, et deux faces terminales 20b et 20d verticales, coupées par une fente médiane. Cette structure 20 est en outre divisée en trois cellules par deux cloisons verticales 20e et 20f, parallèles aux faces terminales 20k et 20d ; les distances entre la face 20b et la cloison 20f, entre les cloisons 20f et 20e et entre la cloison 20e et la face 20d sont égales entre elles, et les électrodes 21, 22 et 23 sont parallèles à ces faces et cloisons, à mi-distance entre elles. Chaque cellule est donc un parallélépipède rectangle et l'électrode correspondante s'étend dans un plan médiateur. Des brides relient les cloisons 20e 20f aux faces 20a et 20c, assurant à la fois la tenue mécanique de la contreélectrode 20 dans son ensemble, et le court-circuit électrique entre les différentes plaques verticales, qui seront équipotentielles et formeront neutre artificiel. On remarquera que le courant passera entre chaque électrode et la contre-électrode pour l'essentiel normalement à ces surfaces, en suivant les lignes de champ électrique. L'équidistance des électrodes à la contre-électrode assurera la constance du champ électrique dans les volumes de chauffe, sauf le champ de dispersion au voisinage des bords verticaux; on a vu précédemment que la constance du champ entraîne la constance de la charge. Si les groupes 2, 3 et 4 ont des structures analogues, on prévoira toutefois que leurs dimensions soient telles que, avec une meme charge de puissance, la puissance dont ils sont capables soient dans des rapports 1/2/4 respectivement. Ainsi, par une commande judicieuse des interrupteurs 24, 34, 44, on fera varier de 1 à 7 la puissance appelée, par échelons unités. Cette commande sera effectuée par le pilote 16, en fonction notamment des indications de la canne thermométrique 14. Pour fixer les idées, les serpentins échangeurs 15-2, 15-3 et 15-4 seront déterminés pour que le fluide sortant par la canalisation 15b soit à 70"C avec une température maximale de l'électrolyte de 900 C. Dans le but de ne transmettre au réseau électrique des phases 51, 52 et 53 qu'un minimum de perturbations, les interrupteurs triphasés 24, 34, 44 seront du type dit à ondes entières. Ce sont des dispositifs à interrupteurs semiconducteurs à décharge commandée, aménagés de telle sorte que l'enclenchement se produise en l'absence de tension aux bornes de l'interrupteur. Par ailleurs, la coupure par l'interrupteur semiconducteur commandé se produit pratiquement nécessairement à courant nul. Selon la forme de réalisation représentée aux figures 4 et 5, la chaudière comprend une cuve chauffante 80 dans son ensemble, posée sur un bac réservoir 100, calorifugé. La cuve 80 est de forme cylindrique verticale 84, avec des fonds inférieur et supérieur en calotte sphérique. Le volume du bac 100 représente environ cinq fois le volume de la cuve. Le bac 100 est équipé d'une pompe de puisage 113, avec une ouïe d'entrée 113a et une canalisation de sortie 113b qui débouche en 91 à la partie inférieure de la cuve 80. Celle-ci comporte également une canalisation de retour 92, au centre du fond inférieur, munie d'une vanne d'ouverture pilotée 117. Un électrolyte 110, de composition analogue à ce qui a été décrit plus haut, emplit le bac 100. Dans cet électrolyte sont immergés trois serpentins d'échangeur 115-1, 115-2 et 115-3, montés en parallèle entre une canalisation d'entrée 115a et une canalisation de sortie 115b. Dans ces serpentins circule le fluide d'un circuit d'utilisation, comme précédemment décrit. La pompe 113 est entraînée par un moteur 113c, situé à l'extérieur du bac 100. On comprendra que le réglage conjoint de la vitesse de rotation de la pompe 113, et de l'ouverture de la vanne 117 permet d'ajuster simultanément le niveau d'électrolyte 110' dans la cuve 80, et le débit d'électrolyte à travers la cuve 80. La paroi cylindrique 84 de la cuve 80 constitue un blindage équipotentiel avec lequel le jeu d'électrodes 81, 82, 83 est coaxial (figure 5). Chacune des électrodes 81, 82, 83 a la forme d'un dièdre à 1200, avec deux pans rectangulaires 81b, 81c ; 82b, 82c ; 83b 83c reliés par une arête verticale 81a 82a, 83a respectivement, ces trois arêtes étant parallèles à l'axe de la paroi 84 et à égales distances de celui-ci. En outre l'axe de paroi 84 se trouve dans le prolongement du plan bissecteur des dièdres. Ainsi se trouvent formés trois volumes de chauffe 86, 87, 88, entre les pans parallèles 81c, 83b ; 83b 82c ; 82c, 81b respectivement. Dans ces volumes le champ électrique sera constant, et par là même la densité de puissance. Par ailleurs, la puissance appelée du réseau 51, 52, 53 sera, en première approximation, proportionnelle à la hauteur immergée du jeu d'électrodes 81, 82, 83, et donc ajustable par le niveau d'électrolyte 110' dans la cuve 80. Un pilote 116 reçoit des informations de la canne thermométrique 114 sur une entrée 116e, d'une boîte de connexion 90 entre le secteur triphasé 51, 52, 53, et les conducteurs 95 de connexion d'électrodes 81, 82, 83, boîte de connexion reliée à l'entrée 116b et munie de transformateurs d'intensité pour déterminer la puissance appelée, et reçoit d'autres informations extérieures sur son entrée 116c. Ce pilote 116 élabore, en fonction des informations reçues, des signaux de commande pour le moteur de pompe 113c et pour la vanne 117. On notera qu'une canalisation 85 met en communication le fond supérieur de la cuve 80 avec l'intérieur du bac 100, afin d'éviter que des surpressions au-dessus de l'électrolyte 110', dues à une ébullition locale de l'électrolyte ou à des dégagements de gaz par électrolyse, ne perturbent le régime de retour de l'électrolyte vers le bac 100. La cuve 80 n'a pas été représentée munie d'un calorifugeage, pour la clarté du dessin ; mais il va sans dire que cette cuve sera calorifugée, pour éviter des pertes d'énergie. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1. Chaudière destinée à chauffer un fluide circulant dans un circuit d'utilisation (15, 115), comportant une cuve (1, 80) contenant un liquide (10, 110') à conductivité non nulle et au moins un jeu d'électrodes (2, 3, 4, 81, 82, 83) plongées dans ce liquide et reliées respectivement aux phases (51, 52, 53} d'un réseau de distribution électrique, caractérisée en ce que le liquide (10, 110') dans la cuve (1, 80) est en quantité limitée et constitué d'un électrolyte à conductivité substantielle réglée et non altérable par passage du courant électrique, et en ce que la chaudière comprend un échangeur (15-2, 15-3, 15-4, 115-1, 115-2, 115-3) où un fluide primaire cède de l'énergie à un fluide secondaire sans que les fluides se mélangent, le fluide primaire étant ledit électrolyte (10, 110) et le fluide secondaire ledit fluide circulant dans le circuit d'utilisation. 2. Chaudière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de contre-électrodes (20, 84), électriquement unipotentiels, définissant, conjointement avec les électrodes (21, 22, 23 ; 81, 82, 83) une configuration de champ électrique telle qu'elle forme des volumes associés aux électrodes, où se concentre le champ, ces volumes ayant sensiblement tous mêmes configuration et dimensions. 3. Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de contre-électrodes (20) sont appariés aux électrodes (21, 22, 23), en sorte que les volumes associés soient chacun confinés dans des cellules électriquement sensiblement fermées. 4. Chaudière selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens de contre-électrodes (20) sont constitués d'un assemblage de plaques verticales dessinant quatre faces (20a, 20b, 20c, 20d) d'un parallélépipède rectangle, avec des cloisons (20e, 20f) intermédiaires parallèles à deux faces opposées (20b, 20d) du parallélépipède, et entre elles, pour conférer auxdites cellules une forme parallélépipédique, les électrodes (21, 22, 23) étant constituées de plaques verticales disposées suivant un plan médiateur de la cellule associée. 5. Chaudière selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de contre-électrodes sont constitués d'un élément tubulaire (84) à axe vertical, qui entoure le jeu d'électrodes (81, 82, 83), celles-ci présentant des formes qui se répètent d'une électrode à l'autre, par une rotation autour de l'axe de l'élément tubulaire, d'un angle correspondant au déphasage électrique des tensions de phase. 6. Chaudière selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'élément tubulaire (84) forme paroi de la cuve (80). 7. Chaudière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens de contre-électrodes (20) et le jeu d'électrodes (2, 3, 4) sont dans une cuve (1) formant réservoir d'électrolyte et entourés d'un serpentin (15-2, 15-3, 15-4) où circule le fluide du circuit d'utilisation. 8. Chaudière selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens de brassage (131 de 1 'électrolyte. 9. Chaudière selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce qu'elle est équipée de moyens thermostatiques (14, 16) pilotant des moyens interrupteurs (24, 34, 44) en série dans les conducteurs (51, 52, 53) de liaison des électrodes au réseau, et fonctionnant en ondes entières. 10. Chaudière selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte, dans une même cuve (1), une pluralité de groupes de chauffe (2, 3, 4) comprenant chacun un jeu d'électrodes, des moyens de contre-électrodes associés et un serpentin (15-2, 15-3, 15-4) où circule le fluide du circuit d'utilisation. 11. Chaudière selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce qu'elle comporte, à un premier niveau une cuve cylindrique (80) comportant le jeu d'électrodes (81, 82, 83) et l'élément tubulaire (84), à un second niveau inférieur au premier un bac (100) formant réservoir d'électrolyte (110) et muni d'au moins un échangeur (115-1, 115-2, 115-3) où circule le fluide du circuit d'utilisation, des moyens de pompe (113) puisant dans le bac (100) pour refouler l'électrolyte dans la cuve cylindrique (80), une canalisation (92, 117) de retour d'électrolyte de la cuve (80) vers le bac (100), et des moyens (116), couplés à la pompe (113) et à la canalisation (117) de retour pour régler le niveau d'électrolyte (110') dans la cuve. 12. Chaudière selon la revendication 11, alimentée par un circuit à N phases, caractérisée en ce que les électrodes (81, 82, 83) sont en forme de dièdres avec deux pans (81b, 81c ; 82k, 82c ; 83b 83c) réunis par une arrête (81a, 82a 83a), cette arrête étant parallèle à l'axe de l'élément tubulaire (84) de contre-électrodes à une distance déterminée de l'axe, celui-ci étant dans le plan bissecteur du dièdre tandis que l'angle d'ouverture des dièdres est 360C/N.