Brevet FR2792060A1 — publié le 20001013

1' 2792060 PROCEDE POUR PRODUIRE DE LA VAPEUR D'EAU SURCHAUFFEE, GENERATEUR DE VAPEUR SUIVANT CE PROCEDE ET SES APPLICATIONS INDUSTRIELLES La présente invention concerne l'industrie de la production de vapeur ainsi que celle d'ensembles fonctionnels créant ou utilisant de la vapeur d'eau surchauffée comme source d'énergie, notamment pour actionner des turbines, des voilures tournantes d'aéronefs, des propulseurs par réaction, des démarreurs par expansion d'un volume de moteurs à piston, ainsi que pour des réactions chimiques, voire comme simple moyen de chauffage ou de décapage. Pour obtenir de la vapeur d'eau, il est classique de chauffer de l'eau dans un récipient par une source calorique pour dégager de la vapeur que l'on surchauffe dans des faisceaux tubulaires chauffés extérieurement. On a aussi proposé de produire directement de la vapeur d'eau à température élevée par décomposition catalytique de peroxyde d'hydrogène, ce qui ne nécessite aucune source calorique extérieure, ni épuration préalable d'eau, ni installation onéreuse, lourde et encombrante. Mais la réaction catalytique ne produit pas des quantités de vapeur intéressantes pour des applications industrielles, par rapport à la masse de peroxyde à mettre en oeuvre. L'invention a pour but une amélioration significative au procédé catalytique, des moyens pour sa mise en oeuvre et ses applications industrielles. L'invention a pour objet un procédé pour produire de la vapeur d'eau surchauffée caractérisé en ce qu'on décompose catalytiquement une solution aqueuse concentrée de peroxyde d'hydrogène puis on fait réagir le mélange gazeux chaud de vapeur d'eau et d'oxygène résultant avec un hydrocarbure gazeux en quantité proportionnellement prédéterminée pour que sa combustion soit complète avec l'oxygène dégagé du mélange 2 2792060 catalysé, sans apport d'air, et obtenir ainsi de la vapeur d'eau à température élevée seulement mélangée à du gaz carbonique. Ce procédé permet d'utiliser des solutions aqueuses de peroxyde d'hydrogène du commerce renfermant environ au moins 45 % de peroxyde, de préférence 60 %. Suivant un mode de réalisation avantageux, le combustible est un hydrocarbure dérivé de la distillation du pétrole, notamment le propane et le kérosène. Le catalyseur, à base de platine est, de préférence, concentré à la surface d'un support rigide, métallique ou céramique. Pour obtenir de bonnes réactions, il est avantageux de créer des turbulences dans le flux gazeux catalysé au voisinage de catalyseur et/ou de l'injection du combustible dans le mélange catalysé. Afin de sécuriser l'initiation de la combustion du combustible, il est préférable de provoquer un étincelage en cas d'absence d'ionisation du mélange de peroxyde catalysé et de combustible. Ainsi, le procédé objet de l'invention permet d'obtenir de la vapeur d'eau mélangée seulement à du gaz carbonique, sans les impuretés de l'eau utilisée dans les procédés classiques, sans chauffage extérieur ni pollution éventuelle. Par rapport aux procédés classiques par simple catalyse de peroxyde d'hydrogène, le procédé objet de l'invention présente, outre l'augmentation de production et de température de la vapeur d'eau, l'avantage de produire de la vapeur d'eau sans l'oxygène actif et particulièrement corrosif libéré par la catalyse et autrement inutilisé et perdu. L'invention a aussi pour objet un générateur de vapeur d'eau surchauffée mettant en oeuvre le procédé de l'invention et caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement d'une chambre de catalyse communiquant librement avec une chambre de surchauffe, avec un injecteur de solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène débouchant sous pression dans la chambre de catalyse en direction d'une paroi catalytique, et avec un injecteur d'hydrocarbure débouchant sous pression, à l'intérieur de la chambre de surchauffe, dans le flux gazeux provenant de la chambre de catalyse. 3 2792060 En pratique, il est avantageux que la chambre de catalyse ait un volume interne au moins égal à celui de solution de peroxyde injectée pendant environ 6/lOèmes de seconde (temps nécessaire pour une réaction complète, homogène), que les chambres de catalyse et de surchauffe soient monotubulaires, de révolution, et que la chambre de surchauffe ait un diamètre au moins 1,5 fois plus grand que celui de la chambre de catalyse. La chambre de catalyse peut être reliée à la chambre de surchauffe par un raccord conique divergent ou par un décrochement générateur de turbulences dans le flux gazeux dans la zone d'injection de combustible à l'intérieur de la chambre de surchauffe. Suivant un mode de réalisation, la paroi catalytique forme un cône métallique platiné à pointe tournée vers l'injecteur de solution de peroxyde d'hydrogène. Pour assurer une bonne homogénéisation du mélange peroxyde d'hydrogène catalysé-combustible, des générateurs statiques de turbulence peuvent être avantageusement disposés à l'entrée de la chambre de surchauffe. De même, pour éviter des ratés éventuels d'allumage du mélange peroxyde d'hydrogène catalysé-combustible, un détecteur d'ionisation pourra être utilement disposé dans le flux gazeux pour commander l'activation d'électrodes d'étincelage, disposées au voisinage de la sortie de l'injecteur de combustible, par un générateur électrique extérieur. Pour des utilisations du générateur suivant l'invention à des applications dynamiques, telle la propulsion par réaction, il est avantageux que la chambre de surchauffe soit prolongée par un convergent canalisant dynamiquement le flux de vapeur d'eau surchauffée produite. Le peroxyde d'hydrogène est très corrosif et les températures atteintes dans les chambres de catalyse et de surchauffe sont élevées, il est donc préférable que ces chambres soient réalisées en acier inoxydable, notamment de la qualité dite 316L, ou revêtues intérieurement de céramique. Suivant un mode de construction pratique, les injecteurs de solution de peroxyde d'hydrogène et de combustible sont alimentés respectivement 4 2792060 par des pompes synchronisées asservissant le débit de combustible au débit de solution de peroxyde. L'invention a encore pour objet des ensembles fonctionnels, notamment turbines, voilures tournantes d'aéronefs, propulseurs par réaction, réacteurs chimiques, démarreurs de moteurs à pistons, caractérisés en ce qu'ils sont actionnés par au moins un générateur de vapeur surchauffée suivant l'invention. L'invention pourra ressortir de façon plus explicite de la description détaillée des dessins annexés qui illustrent deux modes de réalisation, choisis simplement à titre d'exemple parmi les diverses formes d'exécution, adaptations et variantes de l'invention concevables par un technicien averti. Sur ces dessins la figure I est une vue schématique en élévation et en coupe d'un générateur de vapeur surchauffée suivant l'invention; et, la figure 2 es une vue, analogue à celle de la figure 1, d'une variante. Sur ces figures, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références numériques. Les dimensions et les proportions respectives de ces éléments peuvent ne pas être respectées pour une meilleure clarté des dessins. Le générateur de vapeur représenté sur la figure 1 est essentiellement composé d'une chambre de catalyse 1 monotubulaire borgne dans le fond de laquelle débouche axialement un injecteur 2 de solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène alimenté sous pression par une pompe électrique 3, sous contrôle d'un clapet antiretour 4. A l'intérieur de la chambre de catalyse, dans l'axe de l'injecteur 2, est disposé un cône métallique 5, à pointe dirigée vers l'injecteur 2, et soutenu par au moins une patte 17, dont la paroi externe éventuellement revêtue de céramique, porte un catalyseur classique de la réaction de dissociation du peroxyde d'hydrogène en eau et oxygène, tel que le platine. La réaction exothermique violente au contact du catalyseur provoque des turbulences dans le flux gazeux schématisées par des spirales 6. La longueur de la chambre de catalyse est suffisante pour que 2792060 le flux se canalise et devienne régulier à la sortie de la chambre, comme indiqué par les flèches parallèles 7. La chambre de catalyse débouche, par un décrochement brusque 8 dans une chambre de surchauffe 9 monotubulaire, de diamètre plus de 1,5 fois plus grand que celui de la chambre de catalyse. Au débouché de la chambre de catalyse dans la chambre de surchauffe sont régulièrement répartis des injecteurs 10 de combustible liquide ou gazeux, tel que du propane ou du kérosène, alimentés sous pression par une pompe électrique 11, sous contrôle d'un clapet antiretour 12. L'inflammation du combustible crée, avec le décrochement 8, des turbulences schématisées par des spirales 13, qui homogénéisent le mélange gazeux. Un détecteur d'ionisation associé à des électrodes d'étincelage 14 reliées à un générateur électrique 15 sont disposées dans la chambre de surchauffe dans la zone d'injection de combustible. Si l'ionisation du mélange gazeux est insuffisante par suite d'un raté d'auto-inflammation du mélange, des étincelles aussitôt générées assurent le réallumage immédiat. La longueur de la chambre de surchauffe est suffisante pour permettre la canalisation du flux et sa régularisation à la sortie, comme indiqué par les flèches parallèles 16. On retrouve dans le réacteur représenté sur la figure 2 la même chambre de catalyse 1 que sur la figure 1, mais elle est raccordée, par un divergent 18, à la chambre de surchauffe 9 dont la sortie est prolongée par un convergent 19 qui accroit la poussée du flux gazeux, comme indiqué par les flèches 20. Le passage progressif de la chambre de catalyse à la chambre de surchauffe, assuré par le divergent 18, évite la formation de turbulence. Pour obtenir un bon brassage du flux gazeux sortant de la chambre de catalyse avec le combustible, l'injection de celui-ci est assurée par un générateur de turbulences 21 dans lequel le combustible est éjecté suivant diverses directions à partir de cônes de dispersion. A titre d'exemple informel, pour un générateur suivant l'invention consommant environ 3,6 litre/minute de solution aqueuse à 60 % de peroxyde d'hydrogène et environ 0,09 litre/minute de propane, pour délivrer environ 2,2 kg/minute de vapeur d'eau surchauffée à environ 6- 90 C, la chambre de catalyse, d'un volume interne d'environ 40 cm3 6 2792060 pourra être constituée par un tube cylindrique de révolution d'environ 3 cm de diamètre et 6 cm de long, fermé à une extrémité et débouchant à l'autre par un divergent dans une chambre de surchauffe constituée par un tube cylindrique de révolution d'environ 4,5 cm de diamètre et 10 cm de long, prolongé par un convergent d'environ 15 , l'ensemble étant réalisé en acier inoxydable 3161. Un tel générateur peut, entre autres applications, être installé comme propulseur en bout de pale d'un rotor d'hélicoptère. REVENDICATIONS 1. Procédé pour produire de la vapeur d'eau surchauffée caractérisé en ce qu'on décompose catalytiquement une solution aqueuse concentrée de peroxyde d'hydrogène puis on fait réagir le mélange gazeux chaud de vapeur d'eau et d'oxygène résultant avec un combustible en quantité proportionnellement prédéterminée pour que sa combustion soit complète avec l'oxygène dégagé du mélange catalysé, sans apport d'air, et obtenir ainsi de la vapeur d'eau à température élevée seulement mélangée à du gaz carbonique. 2. Procédé, suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la solution aqueuse catalysée renferme au moins environ 45 % de peroxyde d'hydrogène, de préférence 60 %. 3. Procédé, suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le combustible est un hydrocarbure dérivé de la distillation du pétrole, entre autres, notamment, le propane et le kérosène. 4. Procédé, suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le catalyseur, à base de platine, est concentré sur un support rigide, notamment métallique, ou céramique. 5. Procédé, suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on crée des turbulences dans le flux gazeux catalysé au voisinage du catalyseur et/ou de l'injection de combustible dans le mélange catalysé. 6. Procédé, suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on sécurise l'initiation de la combustion du combustible par un étincelage en cas d'absence d'ionisation du mélange catalysé et de combustible. 7. Générateur de vapeur d'eau surchauffée, suivant le procédé de l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitué essentiellement d'une chambre de catalyse (1) communiquant librement avec une chambre de surchauffe (9), un injecteur (2) de solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène débouchant sous pression dans la chambre de catalyse en direction d'une paroi catalytique (5), et un injecteur (10) de 8 2792060 combustible débouchant sous pression, à l'intérieur de la chambre de surchauffe, dans le flux gazeux provenant de la chambre de catalyse. 8. Générateur, suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la chambre de catalyse a un volume interne au moins égal à celui de la solution de peroxyde d'hydrogène injectée pendant environ 6/10 èmes de seconde. 9. Générateur, suivant l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les chambres de catalyse et de surchauffe sont mono-tubulaires, de révolution, et la chambre de surchauffe a un diamètre environ au moins 1,5 fois plus grand que celui de la chambre de catalyse. 10. Générateur, suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre de catalyse est reliée à la chambre de surchauffe par un raccord conique divergent (18). 11. Générateur, suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre de catalyse est reliée à la chambre de surchauffe par un décrochement (8) générateur de turbulences dans le flux gazeux à l'intérieur de la chambre de surchauffe dans la zone d'injection de combustible. 12. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que la paroi catalytique forme un cône métallique (5) platiné à pointe tournée vers l'injecteur (2) de solution de peroxyde d'hydrogène. 13. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que l'injecteur de combustible est associé à des générateurs statiques de turbulence (21) disposés à l'entrée de la chambre de surchauffe. 14. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que des électrodes d'étincelage (14) sont disposées au voisinage de la sortie de l'injecteur de combustible (10) et reliées à un générateur électrique (15) extérieur commandé par un détecteur d'absence d'ionisation dans le flux gazeux du mélange de combustible et de peroxyde d'hydrogène catalysé. 15. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que la chambre de surchauffe est prolongée par un convergent (19) canalisant dynamiquement le flux de vapeur d'eau surchauffée produite. 16. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 15, caractérisé en ce que les injecteurs de solution de peroxyde d'hydrogène et de 9 2792060 combustible sont alimentés respectivement par des pompes (3,15) synchronisées, asservissant le débit de combustible au débit de solution de peroxyde. 17. Générateur, suivant l'une des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que les chambres de catalyse et de surchauffe sont en acier inoxydable, notamment de qualité dite 316L, ou revêtues de céramique. 18. Ensembles fonctionnels, notamment turbines, voilures tournantes d'aéronefs, propulseurs par réaction, réacteurs chimiques, démarreurs de moteurs à pistons, caractérisés en ce qu'ils sont actionnés par au moins un générateur de vapeur surchauffée suivant l'une des revendications 7 à 17.