EP0086730A1 - Chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel ou de chauffage de locaux, et procédé mis en oeuvre par cette chaudière - Google Patents

Chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel ou de chauffage de locaux, et procédé mis en oeuvre par cette chaudière Download PDF

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EP0086730A1
EP0086730A1 EP83440012A EP83440012A EP0086730A1 EP 0086730 A1 EP0086730 A1 EP 0086730A1 EP 83440012 A EP83440012 A EP 83440012A EP 83440012 A EP83440012 A EP 83440012A EP 0086730 A1 EP0086730 A1 EP 0086730A1
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EP
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fluid
boiler
microwave
energy
heating
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Michel Munoz
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications
    • H05B6/802—Apparatus for specific applications for heating fluids
    • H05B6/804—Water heaters, water boilers

Definitions

  • the present invention relates to the field of heating fluids for domestic, industrial, or space heating, and relates to a microwave boiler intended for this purpose.
  • the invention also relates to a fluid heating method by means of this boiler.
  • the present invention aims to overcome these drawbacks.
  • a microwave boiler for the production of a hot fluid for domestic, industrial use, or for space heating, essentially constituted by a device for applying microwave energy supplied by a microwave energy source of the klystron or magnetron type, by a device for transporting said energy of the waveguide type, coaxial cable, or the like, and by an applicator device coupled with the radiating microwave energy source said energy towards the fluid to be heated, characterized in that the applicator device is closed by a fluid tight diffuser and permeable to waves, and which cooperates with the conductive and / or absorbent metallic enclosure of cylindrical, parallelepipedic, or spherical shape, or other form, delimiting the heat treatment zones of the fluid, and by safety elements preventing the flow of microwaves out of the enclosure of the boiler.
  • the invention also relates to a process for producing hot fluid used in the above-mentioned boiler, characterized in that it consists in applying radiation of microwave energy to a fluid at a frequency corresponding to the relaxation frequency. of the fluid considered at a given temperature, inside a conductive and thermally and electromagnetically insulated absorbent envelope, by means of a microwave source, the power wave of which is transmitted via a guide d and / or an applicator in the medium to be heated, the heating of the fluid being effected by convection or conduction and by use of its dielectric properties, in particular the dielectric losses and / or by relaxation.
  • the microwave boiler for the production of a hot fluid for domestic, industrial or heating use premises, which is constituted by a microwave energy application device 1 supplied by a microwave energy source 2 of the klystron or magnetron type, by an energy transport device 3, of the guide-d type waves, coaxial cable, or the like, and by an applicator device 4 coupled with the energy source 2, which radiates said energy towards the fluid to be heated 6, is characterized in that the device 4 is closed by a diffuser sealed against fluid and permeable to waves 5 and / or to the conductive and / or absorbent metal enclosure 7 of cylindrical shape which delimit the heat treatment zones of the fluid.
  • the enclosure 7 can also have a parallelepiped, spherical or other shape.
  • the applicator 4 can advantageously be completed by at least one radiating antenna 8, the elements of which have an effective electrical length equal to a whole number representing a quarter of the wavelength of the frequency of the radiated energy.
  • This applicator 4 and / or the antenna 8 radiate the microwave energy in the enclosure 7 of the fluid to be heated 6 in such a way that optimum efficiency of said energy is obtained.
  • the types of applicators can be any, so that any volume of fluid can be treated. Likewise, the dimensions of the enclosure are provided so as to correspond to the frequency used.
  • the microwave boiler according to the invention is provided with a conductive and / or absorbent enclosure 7 provided with a protective envelope 12, with thermal insulation 7 ′, and at least one inspection hatch 9 provided a closure device 10 made of a conductive and / or absorbent material allowing the stopping of microwaves and having a sealing device 11 for the fluid and allowing stopping of microwave radiation.
  • the boiler is further provided with openings 13 to 16 allowing the circulation of the fluid 6 towards the pipes of the energy distribution network and of the radiators as well as the filling or emptying of the enclosure by means of pipes 17 and 18, these openings 13 to 16 each accommodating a device for stopping microwaves 19 to 22 allowing the reflection and / or absorption of said microwaves and thus preventing them from leaking through said pipes and the various auxiliaries 23 to 25 connected to the boiler.
  • the shape of the stop devices 19 to 22 depends on the diameter of the openings 13 to 16 and the wavelength of the microwaves used, and these devices are each provided with one or more openings allowing the flow of the fluid 6 while preventing the passage of microwaves.
  • the boiler is, moreover, provided with at least one safety device against overheating of the enclosure 7, not shown, in the form of a lack of fluid detector, of a device for measuring micro energy. -wave, or the like, of at least one thermocouple 26, of a control and operating table 27 of the boiler having control and signaling members 28, of a pressure gauge 29, of a control device 30 and regulating the device 1 for applying microwave energy cooperating with one or more thermal controllers 31.
  • the walls of the enclosure 7 are advantageously made of all conductive materials allowing the stopping of electromagnetic radiation and / or the absorption of this radiation, for example by black body effect, these materials possibly being metals and light alloys such as aluminum alloys, or stainless steel.
  • the boiler according to the invention can be used for direct direct heating of a fluid by microwaves, this fluid circulating in a thermal energy distribution network.
  • a thermal energy distribution network is constituted by the boiler described above and designated by the reference 32, by inlet 33 and outlet 34 pipes of the treated fluid, connected to a circuit of use comprising radiating elements 35 such as radiators, and by members 36 for controlling the circulation of the fluid.
  • the device 30 for controlling and regulating the device 1 for applying microwave energy acts directly on the emission of electromagnetic radiation, to which the fluid 6 is subjected inside the enclosure 7, thus allowing the said fluid to be brought to the desired temperature, and which is constituted by an electrical receiver 37 connected to the microwave energy source 2 by means of a static converter 38, or similar device, acting on the circuit d power supply 39 from source 2, and by a microprocessor processing unit 40, or other electronic device, ensuring the regulation and operational safety of the entire boiler as well as auxiliaries 23 to 25, and which are connected the thermal controller 31, the thermostat 26, temperature sensors 41 and operating safety devices 42 - 43, the device 30 being provided, in addition, with a cooling circuit 2 ′ of the microwave source 2, from so that calories can be recovered to improve the efficiency of the boiler.
  • the fluids or mixtures used in the enclosure have, for the most part, loss factors large enough to allow their heating by high HF currents.
  • this loss factor the slower the heating.
  • this factor the more rapid the HF currents will be.
  • this processing unit controls the treatment of the fluid which heats up. by dielectric losses and / or by losses by relaxation.
  • ⁇ is the absolute value of the permittivity of the dielectric. Knowing that the permittivity of a material is a complex value, it can be put in the form: highlighting the phase shift between the field É and the induction D, linked to braking of the orientation of the dipoles under the action of the field.
  • ⁇ 'and ⁇ ''as a function of the frequency characterize a material and its behavior as a function of the frequency. If dipolar relaxation is type of DEBEYE, ⁇ "takes a maximum value at a frequency f called frequency of DEBEYE; this frequency corresponds to the maximum dissipation of heat in the dielectric. This frequency F is a characteristic of the material. Also the process used in the micro boiler -waves according to the invention, makes it possible to implement this physical principle represented in FIG. 4 for the case of water. FIG. 4 represents, by way of example, the variation of the dielectric constant of water with the frequency at the temperature of 25 ° C. The values of ⁇ 'and ⁇ ''change as a function of the temperature, it is the same for the frequency of DEBEYE.
  • Figure 5 shows the optimal power dissipated in water as a function of frequency and volume for a microwave boiler with 1200 W of nominal power installed.
  • the efficiency obtained at the DEBEYE frequency is very important since it indicates that to heat a volume of 1 liter of water to 60 ° C, the heating time will be much lower than that of the frequency of 2.450 GHz.
  • the microwave boiler which uses the optimal performance of electromagnetic waves and the physical absorption properties of the fluids to be heated, allows its implementation to be seen in applications as diverse as heating the premises of all types of residential, tertiary, industrial and other sectors, because the temperature level of the fluid to be heated (air or water from 50 ° to 70 ° C) is close to the best performance coefficients of this heating principle at the appropriate frequencies.
  • the invention also relates to the process implemented by the boiler described above, which consists in the use of thermal agitation generated by the states of excitation of the molecules to be heated of said fluid contained in a conductive enclosure and / or absorbent.
  • the method according to the invention uses one of the fundamental mechanisms of interaction of microwaves with a fluid, at the molecular level, which is the rotation of the polar molecules induced in the field. Placed in an electric field, molecules like water are subjected to a torque which tends to align them with the field, so as to reduce the potential energy of the dipoles as much as possible. When the polarity or the direction of the field changes, the cyclic reorientation of the dipoles depends on the viscous energy dissipation to which the molecule is subjected.
  • a polar molecule therefore has a frequency critical absorption, called the relaxation frequency, which is a function of the characteristics of the molecule, the viscosity of the fluid and the temperature.
  • the relaxation frequency is a function of the characteristics of the molecule, the viscosity of the fluid and the temperature.
  • the field transmits the maximum energy to the molecule and the energy of rotation is transformed into thermal energy.
  • This mode of interaction explains the behavior of permittivity as a function of frequency.
  • the microwave spectral segment (10 MHz to 300 GHz)
  • several modes of molecular movement occur.
  • the water which can constitute the heating element has a relaxation frequency, the absorption peak of which is in the frequencies 2 to 80 GHz.
  • the interactions between radiation and molecules are integrated into the electrical permittivity of the material, and the energy absorbed by said fluid becomes calculable by the equations of energy conservation and the equations of waves called Maxwell's equations.
  • FIGS. 6 to 18 give, by way of nonlimiting examples, various possible applications of the method and of the microwave boiler according to the invention.
  • FIG. 6 represents an alternative embodiment of the device of the microwave boiler according to the invention, in which a device for applying microwave energy 1 is placed in a radiator element 44 and constitutes a heating system by Autonomous convection with simple and closed circuit of small size.
  • this device 1 into an accumulation circuit 45 (FIG. 7), or into an air heater 46 (FIG. 8), in any form and at any location.
  • FIG. 9 represents another example of application of the invention, in which the micro-wave energy application device 1 is mounted on a conductive pipe 47 of a distribution network of geothermal energy 48, in which a fluid circulates or is stationed, devices 49 for stopping microwave radiation being provided inside the network 48, on either side of the source 2, and of the possible antenna 8.
  • a mixed microwave boiler 50 can be provided simultaneously for space heating and the production of domestic hot water, the microwave energy necessary for heating the two enclosures 51 and 52 can be supplied by a single source or by several sources.
  • FIGS. 11 and 12 represent two other possible applications of the microwave boiler, on the one hand, by adaptation on a heating circuit with a conventional electric boiler 53 (FIG. 11), in which the fluid contained in the exchanger 54 of the boiler 53 is heated inside the microwave boiler 56, the radiators 57 being heated directly, and, on the other hand, by adaptation in a conventional heating circuit, the fluid of which is heated to the inside of the boiler 58.
  • the method and the boiler according to the invention allow, for example, the production of hot water with a higher yield than that produced by traditional solutions with less energy consumption. It therefore follows that the heating provided by these radiations is direct and intense, and the heating of the usual treatment enclosure in most traditional systems is avoided and thus the corresponding losses are saved.
  • the power used is therefore generally much lower than that required for a conventional heating system, especially since the precise location of the area of action of the radiation at the heart of the material can lead to reducing the volume to be heated due to that the processing time is extremely short, so that significant energy savings can be achieved.
  • microwave boilers according to the invention can also completely supplement or replace conventional gas, fuel oil, electric boiler systems, and heat pumps. They are interesting for geothermal energy, solar thermal energy and in general in addition to solar energy devices.

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Abstract

La présente invention concerne une chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel ou de chauffage de locaux, et un procédé mis en oeuvre par cette chaudière. Chaudière caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée par un dispositif (1) d'application d'énergie micro-ondes alimenté par une source d'énergie en hyperfréquence (2), par un dispositif (3) de transport de ladite énergie, et par un dispositif applicateur (4) couplé avec la source d'énergie en hyperfréquence (2), rayonnant ladite énergie vers le fluide à chauffer (6), caractérisée en ce que le dispositif applicateur (4) est fermé par un diffuseur étanche au fluide et perméable aux ondes (5), et qui coopère avec l'enceinte (7) conductrice et/ou absorbante métallique de forme cylindrique, parallélépipédique, ou sphérique, ou d'autre forme, délimitant les zones de traitement thermique du fluide et munie d'un calorifugeage (7'), et en ce qu'elle est munie d'éléments de sécurité (19 à 22) empêchant l'écoulement des micro-ondes hors de l'enceinte de la chaudière.

Description

  • La présente invention concerne le domaine du chauffage de fluides pour un usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, et a pour objet une chaudière à micro-ondes destinée à cet effet.
  • L'invention a également pour objet un procédé de chauffage de fluide au moyen de cette chaudière.
  • Actuellement, le chauffage de fluides chauds à usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, est essentiellement réalisé au moyen de chaudières à combustible liquide, gazeux, ou solide, de dimensions appropriées aux besoins.
  • Ces chaudières existantes présentent généralement des rendements thermiques acceptables et sont d'une construction relativement simple et donc peu coûteuse. Cependant, du fait de la raréfaction des sources d'approvisionnement en combustibles et de la hausse rapide du prix de ces derniers, le coût d'exploitation de ces chaudières connues augmente rapidement, et d'autres sources d'énergie deviennent compétitives pour le chauffage de fluides. Ainsi, la production d'eau chaude par application de l'énergie électrique est devenue courante, notamment par transformation de cette énergie au moyen de résistances chauffantes ou au moyen de pompes à chaleur.
  • Toutefois, ce procédé de chauffage d'un fluide au moyen de l'énergie électrique ne permet pas une exploitation optimale de cette dernière, et donc un bilan énergétique global satisfaisant.
  • La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients.
  • Elle a, en effet, pour objet une chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, essentiellement constituée par un dispositif d'application d'énergie micro-ondes alimenté par une source d'énergie en hyperfréquence du type klystron ou magnétron, par un dispositif de transport de ladite énergie du type guide d'ondes, câble coaxial, ou analogue, et par un dispositif applicateur couplé avec la source d'énergie en hyperfréquence, rayonnant ladite énergie vers le fluide à chauffer, caractérisée en ce que le dispositif applicateur est fermé par un diffuseur étanche au fluide et perméable aux ondes, et qui coopère avec l'enceinte conductrice et/ou absorbante métallique de forme cylindrique, parallélépipédique, ou sphérique, ou d'autre forme, délimitant les zones de traitement thermique du fluide, et par des éléments de sécurité empêchant l'écoulement des micro-ondes hors de l'enceinte de la chaudière.
  • L'invention a également pour objet un procédé de production de fluide chaud mis en oeuvre dans la chaudière précitée caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un rayonnement d'énergie micro-ondes à un fluide à une fréquence correspondant à la fréquence de relaxation du fluide considéré à une température donnée, à l'intérieur d'une enveloppe conductrice et absorbante thermiquement et électromagnétiquement isolée, au moyen d'une source micro-ondes dont l'onde de puissance est transmise par l'intermédiaire d'un guide d'ondes et/ou d'un applicateur au milieu à chauffer, le chauffage du fluide s'effectuant par convexion ou conduction et par utilisation de ses propriétés diélectriques, notamment les pertes diélectriques et/ou par relaxation.
  • L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue en coupe d'une chaudière conforme à l'invention ;
    • les figures 2 et 3 représentent en des vues en coupe, respectivement le montage de la chaudière dans un circuit de chauffage et le détail du dispositif de commande et de régulation ;
    • la figure 4 montre la variation de la constante diélectrique de l'eau avec la fréquence à une température de 25° C ;
    • la figure 5 représente la courbe de la puissance optimale dissipée dans l'eau en fonction de la fréquence et
    • les figures 6 à 12 montrent d'autres variantes de réalisation de l'invention.
  • Conformément à l'invention, et comme le montre plus particulièrement, à titre d'exemple, la figure 1 des dessins annexés, la chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, qui est constituée par un dispositif d'application d'énergie micro-ondes 1 alimenté par une source d'énergie en hyperfréquence 2 du type klystron ou magnétron, par un dispositif 3 de transport de l'énergie, du type guide-d'ondes, câble coaxial, ou analogue, et par un dispositif applicateur 4 couplé avec la source d'énergie 2, qui rayonne ladite énergie vers le fluide à chauffer 6, est caractérisée en ce que le dispositif 4 est fermé par un diffuseur étanche au fluide et perméable aux ondes 5 et/ou à l'enceinte 7 conductrice et/ ou absorbante métallique de forme cylindrique qui délimitent les zones de traitement thermique du fluide.
  • L'enceinte 7 peut également présenter une forme parallélépipédique, sphérique, ou autre.
  • L'applicateur 4 peut avantageusement être complété par au moins une antenne rayonnante 8 dont les éléments présentent une longueur électrique effective égale à un nombre entier représentant le quart de la longueur d'onde de la fréquence de l'énergie rayonnée. Cet applicateur 4 et/ou l'antenne 8 rayonnent l'énergie micro-ondes dans l'enceinte 7 du fluide à chauffer 6 de telle manière que soit obtenu un rendement optimal de ladite énergie.
  • Les types d'applicateurs peuvent être quelconques, de sorte que n'importe quel volume de fluide peut être traité. De même, les dimensions de l'enceinte sont prévues de manière à correspondre à la fréquence utilisée.
  • La chaudière à micro-ondes conforme à l'invention est munie d'une enceinte conductrice et/ou absorbante 7 pourvue d'une enveloppe de protection 12, d'un calorifugeage 7', et d'au moins une trappe de visite 9 pourvue d'un dispositif de fermeture 10 en une matière conductrice et/ou absorbante permettant l'arrêt des micro-ondes et présentant un dispositif d'étanchéité 11 pour le fluide et permettant l'arrêt du rayonnement micro-ondes.
  • La chaudière est munie, en outre, d'ouvertures 13 à 16 permettant la circulation du fluide 6 vers les canalisations du réseau de distribution de l'énergie et des radiateurs ainsi que le remplissage ou la vidange de l'enceinte au moyen de canalisations 17 et 18, ces ouvertures 13 à 16 logeant chacune un dispositif d'arrêt des micro-ondes 19 à 22 permettant la réflexion et/ou l'absorption desdites micro-ondes et empêchant ainsi la fuite de ces dernières à travers lesdites canalisations et les différents auxiliaires 23 à 25 reliés à la chaudière.
  • La forme des dispositifs d'arrêt 19 à 22 est fonction du diamètre des ouvertures 13 à 16 et de la longueur d'onde des micro-ondes utilisées, et ces dispositifs sont pourvus chacun d'une ou de plusieurs ouvertures permettant l'écoulement du fluide 6 tout en empêchant le passage des micro-ondes.
  • Il est également possible, selon une autre caractéristique de l'invention, de réaliser les canalisations sous forme d'éléments conducteurs et/ou absorbants, de sorte que les dispositifs d'arrêt des micro-ondes deviennent inutiles.
  • La chaudière est, en outre, munie d'au moins un dispositif de sécurité contre la surchauffe de l'enceinte 7, non représenté, sous forme d'un détecteur de manque de fluide, d'un dispositif de mesure de l'énergie micro-onde, ou analogue, d'au moins un thermocouple 26, d'un tableau 27 de contrôle et de fonctionnement de la chaudière présentant des organes de commande et de signalisation 28, d'un manomètre 29, d'un dispositif 30 de commande et de régulation du dispositif 1 d'application d'énergie micro-ondes coopérant avec un ou plusieurs contrôleurs thermiques 31.
  • Les parois de l'enceinte 7 sont avantageusement réalisées en tous matériaux conducteurs permettant l'arrêt des rayonnements électromagnétiques et/ou l'absorption de ces rayonnements, par exemple par effet de corps noir, ces matériaux pouvant être des métaux et alliages légers tels que des alliages d'aluminium, ou de l'acier inoxydable.
  • Comme le montre la figure 2, la chaudière conforme à l'invention peut servir pour le chauffage direct en continu d'un fluide par micro-ondes, ce fluide circulant dans un réseau de distribution d'énergie thermique. Un tel réseau est constitué par la chaudière décrite ci-dessus et désignée par la référence 32, par des canalisations d'arrivée 33 et de départ 34 du fluide traité, reliées à un circuit d'utilisation comportant des éléments rayonnants 35 tels que des radiateurs, et par des organes 36 de commande de la circulation du fluide.
  • Le dispositif 30 de commande et de régulation du dispositif 1 d'application d'énergie micro-ondes (figure 3) agit directement sur l'émission du rayonnement électromagnétique, auquel est soumis le fluide 6 à l'intérieur de l'enceinte 7, permettant ainsi de porter à la température souhaitée ledit fluide, et qui est constitué par un récepteur électrique 37 relié à la source d'énergie en hyperfréquence 2 par l'intermédiaire d'un convertisseur statique 38,ou dispositif analogue, agissant sur le circuit d'alimentation 39 de la source 2, et par une unité de traitement à micro-processeur 40, ou autre dispositif électronique, assurant la régulation et la sécurité de fonctionnement de l'ensemble de la chaudière ainsi que des auxiliaires 23 à 25, et à laquelle sont reliés le contrôleur thermique 31, le thermostat 26, des capteurs de température 41 et des sécurités de fonctionnement 42 - 43, le dispositif 30 étant muni, en outre, d'un circuit de refroidissement 2' de la source à micro-ondes 2, de sorte que des calories peuvent être récupérées pour améliorer le rendement de la chaudière.
  • Le fluide à chauffer 6, présent dans l'enceinte et soumis au rayonnement micro-ondes, subit un échauffement dans des conditions très rapides et contrôlées par l'unité de traitement 40.
  • Ainsi les fluides ou mélanges utilisés dans l'enceinte ont,pour la plupart,des facteurs de pertes suffisamment grands pour permettre leur échauffement par des courants HF élevés. Il en résulte que plus ce facteur de pertes est faible, plus l'échauffement est lent. Au contraire, plus ce facteur est élevé, plus les courants HF auront une action rapide. En réalité, cette unité de traitement contrôle le traitement du fluide qui s'échauffe par pertes diélectriques et/ou par pertes par relaxation.
  • Les principales caractéristiques de cette régulation sont traduites par le facteur de puissance du produit à chauffer puisque c'est de sa valeur que dépend la possibilité de chauffer un produit déterminé.
  • La puissance active consommée dans la chaudière, à l'intérieur de l'enceinte 7 est,en toute approximation, égale à la valeur réelle de la puissance complexe :
    • P = W.S.E2.dε.e-j(Π 2-8)
    • Cette expression est plus connue sous la forme
    • Pa = k.f.E 2.V. ε' tg δ avec
      • E : le champ électrique
      • V : est le volume du fluide à traiter
      • k : est un coefficient
      • ε' tg 8 : est le facteur de pertes
      • f : est la fréquence de la source micro-onde
  • Cette expression fait apparaître que la puissance dissipée dans le fluide 6, est proportionnelle au carré du champ électrique. Le facteur de pertes ε' tg δ est une fonction de la fréquence en raison du fait que diverses charges électriques sont affectées par les champs électriques à des longueurs d'ondes bien spécifiques.
  • ε est la valeur absolue de la permittivité du diélectrique. Sachant que la permittivité d'un matériau est une valeur complexe, elle peut être mise sous la forme :
    Figure imgb0001
    mettant en évidence le déphasage entre le champ É et l'induction D, lié à des freinages de l'orientation des dipôles sous l'action du champ.
  • Les variations de ε' et ε'' en fonction de la fréquence caractérisent un matériau et son comportement en fonction de la fréquence. Si la relaxation dipolaire est du type de DEBEYE, ε" prend une valeur maximale à une fréquence f dite fréquence de DEBEYE ; cette fréquence correspond à la dissipation maximale de chaleur dans le diélectrique. Cette fréquence F est une caractéristique du matériau. Aussi le procédé utilisé dans la chaudière à micro-ondes selon l'invention, permet de mettre en oeuvre ce principe physique représenté à la figure 4 pour le cas de l'eau. La figure 4, représente, à titre d'exemple, la variation de la constante diélectrique de l'eau avec la fréquence à la température de 25° C. Les valeurs de ε' et ε'' évoluent en fonction de la température, il en est de même de la fréquence de DEBEYE.
  • Les résultats expérimentaux indiquent qu'en utilisant une source micro-onde fonctionnant à la fréquence de 2450 MHz, fréquence couramment utilisée dans les fours à micro-ondes, on arrive à chauffer un litre d'eau à 65° C en six minutes avec un dispositif de puissance maximale de 1200 W. A titre de comparaison avec une résistance électrique de même puissance, on met une dizaine de minutes, d'où la grande efficacité de ce procédé de chauffage. En effet, au lieu d'utiliser le lent processus de conduction, les micro-ondes produisent simultanément la chaleur dans toute la matière. Elles constituent un chauffage direct et intense avec une dissipation en volume, instantanée et évitent le chauffage de l'enceinte de traitement et les déperditions correspondantes, ce qui entraîne une réduction considérable de la durée de traitement thermique, et donc des économies d'énergie très importantes.
  • La figure 5 indique la puissance optimale dissipée dans l'eau en fonction de la fréquence et du volume pour une chaudière micro-ondes de 1200 W de puissance nominale installée. L'efficacité obtenue à la fréquence de DEBEYE est très importante puisqu'elle indique que pour chauffer un volume de 1 litre d'eau à 60° C, le temps de chauffage sera très inférieur à celui de la fréquence de 2,450 GHz.
  • On peut donc affirmer que lorsqu'un fluide et/ou un matériau est soumis à un champ électrique haute fréquence, il absorbe une certaine quantité d'énergie électromagnétique qui se retrouve sous la forme de chaleur. Cette énergie absorbée est proportionnelle au facteur de perte du fluide et/ou du matériau ε' tg δ produit dans lequel t'désigne le coefficient diélectrique et tg 8 la tangente de l'angle de pertes du corps considéré.
  • Ainsi selon l'invention, la chaudière à micro-ondes qui utilise les performances optimales des ondes électromagnétiques et les propriétés physiques d'absorption des fluides à chauffer, permet de voir sa mise en oeuvre dans des applications aussi diverses que le chauffage des locaux de toute nature du secteur résidentiel, tertiaire, industriel et autres, car le niveau de température du fluide à chauffer (air ou eau de 50° à 70° C) est proche des meilleurs coefficients de performances de ce principe de chauffage aux fréquences appropriées.
  • L'invention a également pour objet le procédé mis en oeuvre par la chaudière décrite ci-dessus, qui consiste en l'utilisation de l'agitation thermique générée par les états d'excitation des molécules à chauffer dudit fluide contenu dans une enceinte conductrice et/ou absorbante.
  • Le procédé selon l'invention utilise l'un des mécanismes fondamentaux d'interaction des micro-ondes avec un fluide, au niveau moléculaire, qui est la rotation des molécules polaires induite dans le champ. Placées dans un champ électrique, les molécules comme l'eau sont soumises à un couple qui tend à les aligner avec le champ, de façon à réduire le plus possible l'énergie potentielle des dipôles. Lorsque la polarité ou la direction du champ change, la réorientation cyclique des dipôles dépend de la dissipation énergétique visqueuse à laquelle est soumise la molécule.
  • Une molécule polaire possède donc une fréquence critique d'absorption, appelée fréquence de relaxation, qui est une fonction des caractéristiques de la molécule, de la viscosité du fluide et de la température. A la fréquence critique de rotation, le champ transmet le maximum d'énergie à la molécule et l'énergie de rotation est transformée en énergie thermique.
  • Ce mode d'interaction explique le comportement de la permittivité en fonction de la fréquence. Dans le segment spectral des micro-ondes (10 MHz à 300 GHz), plusieurs modes de mouvements moléculaires se produisent. Par exemple, l'eau qui peut constituer l'élément chauffant présente une fréquence de relaxation dont le pic d'absorption se situe dans les fréquences 2 à 80 GHz. Pratiquement, les interactions rayonnement - molécules s'intègrent dans la permittivité électrique du matériau, et l'énergie absorbée par ledit fluide devient calculable par les équations de la conservation de l'énergie et les équations des ondes dites équations de Maxwell.
  • Les figures 6 à 18 donnent,à titre d'exemples non limitatifs,diverses applications possibles du procédé et de la chaudière à micro-ondes selon l'invention.
  • La figure 6 représente une variante de réalisation du dispositif de la chaudière à micro-ondes selon l'invention,dans laquelle un dispositif d'application d'énergie micro-ondes 1 est placé dans un élément radiateur 44 et constitue un système de chauffage par convexion autonome à circuit simple et fermé de faible encombrement.
  • Il est également possible d'intégrer ce dispositif 1 dans un circuit d'accumulation 45 (figure 7), ou dans un aérotherme 46 (figure 8), sous une forme et à des emplacements quelconques.
  • La figure 9 représente un autre exemple d'application de l'invention, dans lequel le dispositif d'application d'énergie micoro-ondes 1 est monté sur une canalisation conductrice 47 d'un réseau de distribution d'énergie géothermique 48,dans lequel circule ou stationne un fluide, des dispositifs 49 d'arrêt du rayonnement micro-ondes étant prévus à l'intérieur du réseau 48, de part et d'autre de la source 2, et de l'antenne éventuelle 8.
  • Il est également possible de réaliser un montage en série ou en parallèle d'un certain nombre de chaudières ou de sources à micro-ondes du type décrit ci-dessus.
  • Ainsi, comme le montre la figure 10, une chaudière mixte à micro-ondes 50 peut être prévue simultanément pour le chauffage de locaux et la production d'eau chaude sanitaire, l'énergie micro-ondes nécessaire pour le chauffage des deux enceintes 51 et 52 pouvant être fournie par une source unique ou par plusieurs sources.
  • Les figures 11 et 12 représentent deux autres applications possibles de la chaudière à micro-ondes, d'une part, par adaptation sur un circuit de chauffage à chaudière électrique classique 53 (figure 11), dans lequel le fluide contenu dans l'échangeur 54 de la chaudière 53 est réchauffé à l'intérieur de la chaudière à micro-ondes 56, les radiateurs 57 étant chauffés directement, et, d'autre part, par adaptation dans un circuit de chauffage classique, dont le fluide est réchauffé à l'intérieur de la chaudière 58.
  • Grâce à l'invention, il est possible de réaliser un chauffage direct de fluides, tels que l'eau, l'air, l'huile, etc..., par exemple pour réaliser un chauffage de locaux.
  • Le procédé et la chaudière selon l'invention permettent, par exemple, une production d'eau chaude avec un rendement supérieur à celui produit par les solutions traditionnelles avec une moindre consommation d'énergie. Il en résulte donc que le chauffage dispensé par ces rayonnements est direct et intense, et le chauffage de l'enceinte de traitement usuel dans la plupart des systèmes traditionnels est évité et ainsi les déperditions correspondantes sont économisées.
  • La puissance utilisée est donc généralement beaucoup plus faible que celle nécessaire à un système de chauffage classique, d'autant plus que la localisation précise de la zone d'action du rayonnement au coeur de la matière peut conduire à réduire le volume à chauffer du fait que le temps du traitement est extrêmement faible, de sorte que d'importantes économies d'énergie peuvent être réalisées.
  • D'autres usages peuvent être envisagés notamment dans des applications de chauffage industriel, agricole, agro-alimentaire pour le chauffage de l'eau, de vapeur et autres fluides ou mélanges, ainsi que pour le chauffage des piscines avec un rendement élevé.
  • Les chaudières à micro-ondes selon l'invention peuvent également compléter ou se substituer totalement à des dispositifs de chaudière classique au gaz, fuel-oil, électriques, aux pompes à chaleur. Elles sont intéressantes pour la géothermie, l'héliothermie et en général en complément des dispositifs à énergie solaire.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims (8)

1. Chaudière à micro-ondes pour la production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, essentiellement constituée par un dispositif (1) d'application d'énergie micro-ondes alimenté par une source d'énergie en hyperfréquence (2) du type klystron ou magnétron, par un dispositif (3) de transport de ladite énergie du type guide d'ondes, câble coaxial, ou analogue;tpar un dispositif applicateur (4) couplé avec la source d'énergie en hyperfréquence (2), rayonnant ladite énergie vers le fluide à chauffer (6), caractérisée en ce que le dispositif applicateur (4) est fermé par un diffuseur étanche au fluide et perméable aux ondes (5), et qui coopère avec l'enceinte (7) conductrice et/ou absorbante métallique de forme cylindrique, parallélépipédique, ou sphérique, ou d'autre forme, délimitant les zones de traitement thermique du fluide et munie d'un calorifugeage (7'), en ce qu'elle est munie d'éléments de sécurité (19 à 22) empêchant l'écoulement des micro-ondes hors de l'enceinte de la chaudière, et en ce qu'elle est intégrée dans un circuit de chauffage à accumulation, dans un aérotherme, dans un réseau de chauffage classique, ou montée en parallèle ou en série avec d'autres chaudières du même type, dans un réseau de distribution d'énergie géothermique, ou dans une installation industrielle de chauffage de fluides à usages divers.
2. Chaudière, suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'applicateur (4) est avantageusement complété par au moins une antenne rayonnante (8) dont les éléments présentent une longueur électrique effective égale à un nombre entier représentant le quart de la longueur d'onde de la fréquence de l'énergie rayonnée.
3. Chaudière, suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est munie d'une enceinte conductrice et/ou absorbante (7) pourvue d'une enveloppe de protection (12), et d'au moins une trappe de visite (9) pourvue d'un dispositif de fermeture (10) en une matière conductrice et/ou absorbante permettant l'arrêt des micro-ondes et présentant un dispositif d'étanchéité (11) pour le fluide et permettant l'arrêt du rayonnement micro-ondes, et les parois de l'enceinte (7) sont avantageusement réalisées en tous matériaux conducteurs permettant l'arrêt des rayonnements électromagnétiques et/ou l'absorption de ces rayonnements, par exemple par effet de corps noir, ces matériaux pouvant être des métaux et alliages légers tels que des alliages d'aluminium, ou de l'acier inoxydable.
4. Chaudière, suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3, caractérisée en ce qu'elle est munie, en outre, d'ouvertures (13 à 16) permettant la circulation du fluide (6) vers les canalisations du réseau de distribution de l'énergie et des radiateurs ainsi que le remplissage ou la vidange de l'enceinte au moyen de canalisations (17 et 18), ces ouvertures (13 à 16) logeant chacune un dispositif d'arrêt des micro-ondes (19 à 22) permettant la réflexion et/ou l'absorption desdites micro-ondes et empêchant ainsi la fuite de ces dernières à travers lesdites canalisations et les différents auxiliaires (23à 25) reliés à la chaudière.
5. Chaudière, suivant l'une quelconque des revendications 1 et 4, caractérisée en ce que les canalisations sont réalisées sous forme d'éléments conducteurs et/ou absorbants, de sorte que les dispositifs d'arrêt des micro-ondes deviennent inutiles.
6. Chaudière, suivant l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 5, caractérisée en ce qu'elle est munie d'au moins un dispositif de sécurité contre la surchauffe de l'enceinte (7), sous forme d'un détecteur de manque de fluide, d'un dispositif de mesure de l'énergie micro-onde, ou analogue, d'au moins un thermocouple (26), d'un tableau (27) de contrôle et ce fonctionnement de la chaudière présentant des organes commande et de signalisation (28), d'un manomètre (29), d'un dispositif (30) de commande et de régulation du dispositif (1) d'application d'énergie micro-ondes coopérant avec un ou plusieurs contrôleurs thermiques (31).
7. Chaudière, suivant la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif (30) de commande et de régulation du dispositif (1) d'application d'énergie micro-ondes agit directement sur l'émission du rayonnement électromagnétique, auquel est soumis le fluide (6) à l'intérieur de l'enceinte (7), permettant ainsi de porter à la température souhaitée ledit fluide, et qui est constitué par un récepteur électrique (37) relié à la source d'énergie en hyperfréquence (2) par l'intermédiaire d'un convertisseur statique (38), ou dispositif analogue, agissant sur le circuit d'alimentation (39) de la source (2), et par une unité de traitement à micro-processeur (40), ou autre dispositif électronique, assurant la régulation et la sécurité de fonctionnement de l'ensemble de la chaudière ainsi que des auxiliaires (23 à 25), et à laquelle sont reliés le contrôleur thermique (31), le thermostat (26), des capteurs de température (41) et des sécurités de fonctionnement (42 - 43), le dispositif (30) étant muni, en outre, d'un circuit de refroidissement (2') de la source à micro-ondes (2).
8. Procédé de production d'un fluide chaud à usage domestique, industriel, ou de chauffage de locaux, mis en oeuvre par la chaudière suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer un rayonnement d'énergie micro-ondes à un fluide à une fréquence correspondant à la fréquence de relaxation du fluide considéré à une température donnée, à l'intérieur d'une enveloppe conductrice et absorbante thermiquement et électromagnétiquement isolée, au moyen d'une source micro-ondes dont l'onde de puissance est transmise par l'intermédiaire d'un guide d'ondes et/ou d'un applicateur au milieu à chauffer, le chauffage du fluide s'effectuant par convexion ou par conduction et par utilisation de ses propriétés diélectriques, notamment les pertes diélectriques et/ou par relaxation.
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