EP4627880A2 - Dispositif et procédé de génération de chaleur électro-plasmique - Google Patents

Dispositif et procédé de génération de chaleur électro-plasmique

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Publication number
EP4627880A2
EP4627880A2 EP23813418.3A EP23813418A EP4627880A2 EP 4627880 A2 EP4627880 A2 EP 4627880A2 EP 23813418 A EP23813418 A EP 23813418A EP 4627880 A2 EP4627880 A2 EP 4627880A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
electrodes
voltage
enclosure
liquid electrolyte
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23813418.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gaëtan DE LACHEZE-MUREL
Michel KARATCHENTZEFF
Pierre Clauzon
Daniel FARGUE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institut Louis De Broglie
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Institut Louis De Broglie
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut Louis De Broglie, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Institut Louis De Broglie
Publication of EP4627880A2 publication Critical patent/EP4627880A2/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/01—Handling plasma, e.g. of subatomic particles
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B3/00—Low temperature nuclear fusion reactors, e.g. alleged cold fusion reactors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/47—Generating plasma using corona discharges
    • H05H1/475—Filamentary electrodes

Definitions

  • the present invention relates to the fields of thermal, calorimetry and medium and high voltage electrical circuits. It relates more particularly to a device and a related method for generating heat.
  • the device 1 described in this article [1] comprises two electrodes 2, 3 immersed in pure water, the water having an electrical conductivity less than a few microsiemens per centimeter.
  • One of the electrodes 2 is in the form of a tip and arranged in a so-called tip-plane configuration with the other of the two electrodes 3 which is planar.
  • the two electrodes 2, 3 are arranged at a distance of around 0.1 mm from each other.
  • the pure water between the two electrodes constitutes an electrical resistance 4 between them.
  • a voltage between the electrodes generates discharges in the following way. Initially and as shown in Figures 1 and 2, a water vapor channel (5 streamer in English) is formed and progresses from a first electrode towards the second electrode. This channel is created by the intense electric field between the two electrodes which allows the ionization of the water vapor generated. During this phase, which can last several tens of microseconds, the voltage between the electrodes remains high and the low current. Ohmic type heating of the liquid water takes place between the end of the steam channel and the second electrode.
  • the water vapor channel 5 reaches the second electrode. Due to its ionization, the vapor channel has a very low electrical resistance, which causes the resistance between the electrodes 2, 3 to drop. The voltage across the electrodes drops and the intensity of the current increases, causing an electric discharge. The measured generated energy is greater than the supplied energy at least under certain conditions.
  • Figure 4 represents the typical temporal evolution of the current I and the voltage U across the electrodes 2, 3 as a function of time t.
  • the voltage drops and the current increases due to the passage of current through the vapor channel.
  • the device 1 described in article [1], as illustrated in Figures 1 to 3, is however difficult to implement in the context of industrial use for heating liquids or generating steam.
  • obtaining discharges in pure water requires very precise geometry of the electrodes. At least one of the electrodes must have a very small radius of curvature, of the order of 0.1 mm, to benefit from the tip effect. In addition, the distance between the electrodes must be small, of the order of 0.1 mm, and maintained very precisely.
  • electrical discharges generate pressure capable of moving the electrodes. To avoid this, sufficiently massive electrodes having a diameter of the order of several millimeters must be used: this therefore prevents the use of wire electrodes, that is to say of small diameter, for example less than or equal to 2mm.
  • the end of the pointed electrode must then be sharpened precisely to obtain a sufficiently small radius of curvature.
  • the passage of electric current during a discharge wears out the electrodes, in particular by ablation and by digging. This limits the number of discharges to a few thousand and would therefore require a frequency of electrode changes that is prohibitive for industrial use.
  • the wear of the electrodes pollutes the water in which the discharges are carried out due to the ablation of particles. This pollution can make water sufficiently conductive to prevent the formation of plasma necessary to obtain energy gains. When the conductivity of the water becomes too high, the passage of current between the electrodes only produces ohmic type heating.
  • the invention relates, according to one of its aspects, to a heat generation device, comprising:
  • liquid electrolyte we mean here and in the context of the invention, the usual meaning, namely a liquid which allows the passage of electric current, due to the presence of mobile ions within it.
  • Figure 5 is a graph representing the evolution of the voltage and current as a function of the number of discharges carried out on the same device according to the prior art.
  • Figure 6 represents a heat generation device according to the invention.
  • Figure 11 represents a device according to the invention in a configuration allowing the measurement of the thermal energy generated.
  • FIG 12 illustrates a fluid heating installation comprising a heat generation device according to the invention.
  • Plasma 15 is obtained by ionization of the water vapor generated around the first electrode.
  • Switch 17 is then opened and capacitor 18 recharged. After recharging, a new discharge can take place to continue heating the electrolyte.
  • the electrodes of the device according to the invention are therefore not subjected to a violent shock corresponding to the dielectric breakdown when the ionized vapor channel connects the two electrodes in the device according to the prior art: the integrity of the electrodes is preserved and their wear is much less significant. This makes it possible in particular to use an electrode 12 with a small diameter wire and to improve the lifespan of the device.
  • the generation of plasma around the first electrode 12 can be obtained with different configurations of the device.
  • the conductivity of the liquid electrolyte, the diameter of the first electrode 12 and the voltage applied across the electrodes 12, 13 are in particular chosen to achieve the generation of the desired plasma.
  • the density of the electrical energy deposit in the liquid electrolyte must be sufficient to create a volume of water vapor.
  • the electric field must also be intense enough to ionize the water vapor.
  • the distance between the electrodes is therefore not a major factor in obtaining a plasma. However, it is preferably ensured that the distance between the electrodes is greater than the spatial extension of the plasma formed, i.e. a distance typically greater than 1 mm, 2 mm, 5 mm or 10 millimeters. More preferably, the distance between the electrodes is sufficiently large to avoid direct breakdowns by creating a vapor channel between the electrodes. This distance depends on the voltage used and is typically of the order of 1mm to 10mm.
  • the conductivity of the liquid electrolyte is chosen so that it presents an electrical resistance between the first and second electrodes which is less than or equal to 20 ohms, preferably 10 ohms or 5 ohms. However, lower conductivity is possible if the applied voltage is large enough.
  • the conductivity of the liquid electrolyte is preferably greater than 1 S/m, 2 S/m, 4 S/m or 10 S/m.
  • the liquid electrolyte is preferably water mixed with a base or an acid.
  • the liquid electrolyte may be a mixture of water and soda at a concentration of between 0.05 mol/1 and 1 mol/1.
  • the first electrode is an electrode in the form of a wire, that is to say a cylinder of circular section. Its diameter is chosen to allow the generation of plasma as a function of the applied voltage. Plasma formation is facilitated when the diameter of the first electrode is small. We preferably choose a cylinder whose diameter is between 0.1 mm and 2 mm. A larger diameter is possible if it allows plasma to be obtained.
  • the first electrode is metallic, in particular made of copper, iron, nickel, palladium, tantalum or tungsten,
  • the voltage applied between the electrodes is applied in pulses of short duration, preferably between 1 ps and 10 ms.
  • the applied voltage can be constant during a pulse. It can be identical for each of the pulses.
  • the sign of the applied voltage can be changed after a certain number of pulses made, in particular after each pulse. In this case we obtain an alternation of positive and negative voltage pulses.
  • the cylindrical wall of enclosure 11 connected to the electrical ground, constitutes the second electrode 13.
  • Measurement of the thermal energy obtained To measure the thermal energy released by a discharge of the device according to the invention, the following measurement method can be used.
  • the principle of the measurement process consists of heating the conductive liquid to the boiling point and measuring the reduction in mass in the enclosure during discharges, which corresponds to the evaporation of part of the liquid contained in the enclosure.
  • the first electrode 12 is connected to the power supply 16.
  • An insulated gate bipolar transistor acts as a switch 17 between the first electrode 12 and the power supply 16.
  • the heat generation device also includes a capacitor 18 arranged between power supply and electrical ground.
  • the voltage between the first electrode 12 and the substantially cylindrical wall of the enclosure 11 serving as a second electrode is measured by a voltage measuring device 20.
  • the current between the wall of the enclosure and the electrical mass is measured by a intensity measuring device 21.
  • the heat generation device makes it possible to heat the liquid electrolyte in which the electrodes are immersed.
  • the heat generated can be transmitted by conduction to a medium external to the device.
  • the enclosure 11 can thus replace the resistance of a cumulus to heat water in a water heater.
  • the heat generation device can be used to heat water for heating a building by replacing an electric or gas boiler.
  • Figure 12 represents an installation for heating 40 of a fluid 42 comprising a container 41 containing the fluid 42.
  • the enclosure 11 of the heat generation device is closed hermetically and is arranged in the container 41 in contact with the fluid, so that the heat generated in the enclosure 11 is communicated to the fluid.
  • the heat generated by the device can also be used to produce water vapor, either by heating a separate water tank, or by directly using the water vapor produced in enclosure 11.
  • the enclosure 11 has a volume of between 0.1 and 10 liters.
  • the heat generation device Preferably, in the context of the use of a fluid heating installation, the heat generation device generates discharges with a duration of between 1 ps and 10 ms at a frequency of 0.1 Hz to 100 kHz until the fluid reaches the desired temperature.
  • the water vapor generated can be used in particular to cook food, to carry out vulcanization processes, to produce energy by rotating a turbine, to carry out steam cracking, to hydrate a medium such as paper in progress. production or even for cleaning and/or sterilization processes (floors, boilers, medical devices, etc.).
  • the inventors also noted a production of hydrogen in the hot plasma created during the discharge: the device according to the invention can therefore also allow the generation of hydrogen.

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Description

Description
Titre : Dispositif et procédé de génération de chaleur électro -plasmique.
Domaine technique
La présente invention concerne les domaines de la thermique, de la calorimétrie et des circuits électriques moyenne et haute tension. Elle concerne plus particulièrement un dispositif et un procédé afférent de génération de chaleur.
L’invention concerne également une installation de chauffage d’un fluide mettant en œuvre le dispositif de génération de chaleur.
Technique antérieure
Le chauffage d’un liquide, tel que de l’eau, est couramment réalisé par chauffage ohmique. Pour ce faire, une résistance électrique est soumise à une tension U continue ou alternative dans un circuit électrique dans lequel circule un courant I. La résistance dégage alors une puissance P = UI = RI2 qui peut être utilisée pour chauffer le liquide.
Les inventeurs ont toutefois montré qu’il était possible de générer une énergie thermique supérieure à l’énergie électrique fournie, comme décrit dans l’article [1].
Comme représenté aux figures 1 à 3, le dispositif 1 décrit dans cet article [1] comporte deux électrodes 2, 3 immergées dans de l’eau pure, l’eau ayant une conductivité électrique inférieure à quelques microsiemens par centimètre. Une des électrodes 2 est sous la forme de pointe et agencée selon une configuration dite pointe -plan avec l’autre des deux électrodes 3 qui est plane. Les deux électrodes 2, 3 sont agencées à une distance de l’ordre de 0,1 mm l’une de l’autre. L’eau pure entre les deux électrodes constitue une résistance électrique 4 entre ces dernières.
L’application d’une tension entre les électrodes génère des décharges de la façon suivante. Dans un premier temps et comme représenté aux figures 1 et 2, un canal de vapeur d’eau 5 streamer en langue anglaise) se forme et progresse d’une première électrode vers la deuxième électrode. Ce canal est créé par le champ électrique intense entre les deux électrodes qui permet l’ionisation de la vapeur d’eau générée. Durant cette phase, qui peut durer plusieurs dizaines de microsecondes, la tension entre les électrodes reste élevée et le courant faible. Un chauffage de type ohmique de l’eau liquide a lieu entre l’extrémité du canal de vapeur et la deuxième électrode.
Dans un second temps et comme représenté à la figure 3, le canal de vapeur d’eau 5 atteint la deuxième électrode. Du fait de son ionisation, le canal de vapeur présente une résistance électrique très faible, ce qui fait chuter la résistance entre les électrodes 2, 3. La tension aux bornes des électrodes chute et l’intensité du courant augmente, provoquant une décharge électrique. L’énergie générée mesurée est supérieure à l’énergie fournie au moins sous certaines conditions.
La figure 4 représente l’évolution temporelle typique du courant I et de la tension U aux bornes des électrodes 2, 3 en fonction du temps t. Dans l’exemple de la figure 4, une tension d’environ 900 V est appliquée à t = 0 s. La tension reste sensiblement constante durant la première phase de création d’un canal de vapeur par chauffage ohmique et le courant reste faible à environ 10 A, correspondant à une résistance R = U/I = 110 ohms. Lorsque la décharge électrique entre les électrodes se produit, la tension chute et l’intensité du courant augment en raison du passage du courant dans le canal de vapeur. Durant cette phase, la tension baisse à environ 80 V et le courant atteint 200 A, correspondant à une résistance R = U/I = 0,4 ohm.
Le dispositif 1 décrit dans l’article [1], tel qu’illustré aux figures 1 à 3, est cependant difficile à mettre en œuvre dans le cadre d’une utilisation industrielle de chauffage de liquide ou de génération de vapeur.
En premier lieu, l’obtention de décharges dans de l’eau pure nécessite une géométrie très précise des électrodes. Au moins une des électrodes doit avoir un rayon de courbure très faible, de l’ordre de 0,1 mm, pour bénéficier de l’effet de pointe. De plus, la distance entre les électrodes doit être faible, de l’ordre de 0,1 mm, et maintenue de manière très précise. Or les décharges électriques génèrent une pression susceptible de déplacer les électrodes. Pour éviter cela, des électrodes suffisamment massives ayant un diamètre de l’ordre de plusieurs millimètres doivent être utilisées : cela empêche donc l’utilisation d’électrodes filaires, c’est- à-dire de faible diamètre, par exemple inférieur ou égal à 2 mm. L’extrémité de l’électrode en pointe doit alors être affûtée de manière précise pour obtenir un rayon de courbure suffisamment faible. Par ailleurs, le passage du courant électrique lors d’une décharge use les électrodes, notamment par ablation et par creusement. Cela limite le nombre de décharges à quelques milliers et demanderait donc une fréquence de changement d’électrodes rédhibitoire pour un usage industriel.
De plus, l’usure des électrodes pollue l’eau dans laquelle les décharges sont réalisées en raison de l’ablation de particules. Cette pollution peut rendre l’eau suffisamment conductrice pour empêcher la formation d’un plasma nécessaire à l’obtention de gains d’énergie. Lorsque la conductivité de l’eau devient trop importante, le passage du courant entre les électrodes ne produit plus qu’un chauffage de type ohmique.
La figure 5 illustre l’évolution du courant I et de la tension U en fonction du temps t pour un même dispositif en fonction d’un nombre de décharges N. Plus précisément, un nombre de 1352 décharges ont été réalisées à une fréquence de 2,7 décharges par seconde. Il ressort de la figure 5 que le temps moyen pour créer le canal de vapeur augmente avec la répétition des décharges, ce qui traduit l’usure des électrodes.
H ressort également de cette figure 5, le caractère instable des décharges : en effet, en parallèle de l’augmentation moyenne du temps pour créer le canal de vapeur, on observe une variation importante et aléatoire de ce temps, soulignant l’instabilité du phénomène.
Il existe donc un besoin pour améliorer les dispositifs de chauffage existants susceptibles de générer une énergie thermique supérieure à l’énergie électrique qui les alimente, notamment pour améliorer leur prédictibilité et leur durée de vie.
Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne selon un de ses aspects un dispositif de génération de chaleur, comportant :
- une enceinte contenant un électrolyte liquide,
- une première électrode sous la forme d’un fil et une deuxième électrode qui s’étend selon une surface, de préférence plane, et est agencée selon une configuration dite fil- surface avec la première électrode, les première et deuxième électrodes étant immergées au moins partiellement dans l’électrolyte liquide, - une alimentation électrique configurée pour générer une tension électrique, de préférence sous forme d’impulsions, entre les première et deuxième électrodes de sorte à générer un plasma autour de la première électrode.
Par « électrolyte liquide », on entend ici et dans le cadre de l’invention, le sens usuel à savoir un liquide qui permet le passage du courant électrique, du fait de de la présence d'ions mobiles en son sein.
Avantageusement, l’invention permet d’obtenir un chauffage à haut rendement. En effet, les inventeurs ont constaté à la suite de plusieurs centaines d’expériences que l’énergie thermique générée par le dispositif selon l’invention peut être supérieure à 1,5 fois l’énergie électrique fournie au dispositif, atteignant jusqu’à 4 à 8 fois cette valeur.
L’invention permet donc d’importantes économies d’énergie.
Sans être liés par une théorie, les inventeurs observent que ce gain d’énergie est lié à la formation d’un plasma autour de la première électrode sous la forme d’un fil. Ce plasma chaud et dense est confiné par l’électrolyte liquide et semble être le lieu du phénomène d’amplification observé.
Pour créer un plasma autour de la première électrode, la densité du dépôt d’énergie électrique dans l’électrolyte liquide doit être suffisante pour créer un volume de vapeur d’eau. Le champ électrique doit également être suffisamment intense pour ioniser la vapeur d’eau.
Sans être liés par cette théorie, les inventeurs pensent que le plasma est formé par effet corona.
Comme on le verra plus en détails par la suite, le dispositif selon l’invention permet de former un plasma de manière stable et sans usure notable des électrodes, contrairement au dispositif selon l’état de l’art, décrit en relation aux figures 1 à 5.
Selon un mode de réalisation avantageux, la première électrode a un diamètre compris entre 0, 1 mm et 2 mm.
De préférence, la distance entre les première et deuxième électrodes est supérieure à 1 mm, de préférence à 2 mm, à 5 mm ou à 10 mm. Elle peut être inférieure à 50 cm, 10 cm ou 5 cm. Selon un mode de réalisation préféré, la conductivité de l’électrolyte liquide et la distance entre les première et deuxième électrodes sont choisies de sorte que la résistance de l’électrolyte liquide entre ces dernières soit inférieure ou égale à 20 ohms, de préférence à 10 ohms ou à 5 ohms.
Avantageusement, l’électrolyte liquide est un mélange d’eau et d’une base ou d’un acide, en particulier un mélange d’eau et de soude.
De préférence, l’enceinte comporte un système de vidange de l’électrolyte liquide afin de permettre son remplacement. Le système de vidange peut être configuré pour permettre un remplacement en continu de l’électrolyte liquide et/ou pour permettre une vidange et un remplacement complets du volume d’électrolyte liquide dans l’enceinte.
Selon une caractéristique avantageuse, une paroi de l’enceinte forme la deuxième électrode.
L’enceinte a de préférence un volume compris entre 0,1 litre et 10 litres. De préférence encore, l’enceinte est fermée hermétiquement.
L’invention concerne également une installation de chauffage d’un fluide, comportant :
- un récipient contenant le fluide et,
- un dispositif de génération de chaleur selon l’invention, l’enceinte du dispositif étant fermée hermétiquement et agencée dans le récipient et au contact du fluide.
L’invention concerne enfin un procédé de fonctionnement du dispositif de génération de chaleur selon l’invention, comportant une étape consistant à appliquer par impulsions, une tension électrique, de préférence comprise entre 100 V et 10 000 V, entre les électrodes au moyen de l’alimentation électrique de sorte à générer un plasma autour de la première électrode.
Selon une caractéristique avantageuse, la tension est appliquée par impulsions de durée comprise entre 1 ps et 10 ms.
De préférence, le signe de la tension appliquée est alterné entre positif et négatif entre deux impulsions consécutives.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée d’exemples de mise en œuvre de l’invention faite à titre illustratif et non limitatif en référence aux figures suivantes. Brève description des dessins
[Fig 1] [Fig 2] [Fig 3] Les figures 1 à 3 représentent les différentes étapes de fonctionnement d’un dispositif de chauffage selon l’art antérieur.
[Fig 4] La figure 4 est un graphique représentant l’évolution temporelle typique de la tension et du courant aux bornes des électrodes du dispositif selon les figures 1 à 3.
[Fig 5] La figure 5 est un graphique représentant l’évolution de la tension et du courant en fonction du nombre de décharges réalisées sur un même dispositif selon l’art antérieur.
[Fig 6] La figure 6 représente un dispositif de génération de chaleur selon l’invention.
[Fig 7] La figure 7 est une vue de profil d’un sous-ensemble du dispositif de la figure 6.
[Fig 8] La figure 8 est une vue de face du sous-ensemble de la figure 7.
[Fig 9] La figure 9 est un graphique représentant l’évolution temporelle typique de la tension et du courant aux bornes des électrodes du dispositif des figures 6 à 8.
[Fig 10] La figure 10 est un graphique représentant l’évolution de la tension et du courant en fonction du nombre de décharges réalisées sur un même dispositif selon l’invention.
[Fig 11] La figure 11 représente un dispositif selon l’invention dans une configuration permettant la mesure de l’énergie thermique générée.
[Fig 12] La figure 12 illustre une installation de chauffage d’un fluide comportant un dispositif de génération de chaleur selon l’invention.
Description détaillée
Les figures 1 à 5 ont déjà été détaillées en préambule, elles ne seront donc pas commentées ci-après.
On a illustré aux figures 6 à 8 un dispositif 100 de génération de chaleur selon l’invention.
Dans l’exemple illustré, le dispositif 100 comporte un sous-ensemble 10 qui comprend une enceinte 11 contenant un électrolyte liquide 14.
Une première électrode 12 et une deuxième électrode 13 sont immergées dans l’électrolyte liquide 14.
La première électrode 12 est sous la forme d’un fil, c’est-à-dire un cylindre plein de faible diamètre. La deuxième électrode 13 s'étend selon une surface et est agencée selon une configuration fil- surface avec la première électrode 12. La deuxième électrode 13 est de préférence une électrode plane. Mais elle peut être également courbe. De préférence, la surface de la deuxième électrode 13 est supérieure à 1 cm2, à 10 cm2, à 50 cm2 ou à 100 cm2 et/ou inférieure à 1000 cm2.
La première électrode et la deuxième électrode sont reliées à une alimentation électrique 16 configurée pour générer une tension électrique aux bornes des électrodes. L’alimentation électrique 16 peut notamment être un générateur ou peut provenir d’un réseau électrique.
Dans le mode de réalisation illustré, un interrupteur 17 permet de sélectivement relier l’alimentation électrique 16 à la deuxième électrode 13 et un condensateur 18 est disposé entre les bornes de l’alimentation électrique 16. Les électrodes 12, 13 sont également chacune reliées à une borne du condensateur 18.
Fonctionnement
En fonctionnement, l’alimentation électrique charge le condensateur 18 jusqu’à qu’une tension définie soit atteinte, l’interrupteur 17 restant ouvert. Une fois le condensateur chargé, l’interrupteur 17 peut être fermé, ce qui provoque la décharge partielle du condensateur 18. Un courant pouvant atteindre plusieurs dizaines à plusieurs centaines d’ampères circule dans le circuit pendant un temps bref, typiquement entre quelques microsecondes et quelques millisecondes.
Cela génère un plasma 15 autour de la première électrode 12 dans l’électrolyte liquide. Le plasma 15 est obtenu par ionisation de la vapeur d’eau générée autour de la première électrode.
L’interrupteur 17 est ensuite ouvert et le condensateur 18 rechargé. Après recharge, une nouvelle décharge peut avoir lieu pour continuer à chauffer l’électrolyte.
De façon avantageuse, le condensateur peut être choisi de sorte que sa capacité soit suffisante pour qu’à chaque décharge, la charge électrique qu’il libère dans le circuit est faible par rapport à sa charge totale. Cela permet de maintenir une tension quasi-constante durant la décharge du condensateur.
Les inventeurs ont constaté que la génération du plasma 15 conduit à un excédent d’énergie, l’énergie thermique générée étant supérieure à l’énergie électrique fournie au dispositif. La figure 9 montre l’évolution typique de la tension aux bornes des électrodes et de l’intensité du courant parcourant le circuit au cours d’une décharge. On observe que la tension U est sensiblement constante à 900 V pendant sa durée d’application d’environ 200 ps. Le courant est intense dès le début de la décharge puis diminue jusqu’à devenir sensiblement nul. Le plasma est créé dès le début de la décharge.
En comparaison avec l’évolution typique de la tension et du courant représentée à la figure 4, on note que les profils de tension et de courant sont de nature très différente. Il n’y a en effet pas de création d’un canal de vapeur ionisée suivie de la création d’un plasma avec passage d’un courant intense sous une faible tension. Du fait de la conductivité de l’électrolyte 14, l’intensité du courant est importante dès le début de la décharge.
De manière avantageuse, les électrodes du dispositif selon l’invention ne sont donc pas soumises à un choc violent correspondant à la rupture diélectrique lorsque le canal de vapeur ionisée relie les deux électrodes dans le dispositif selon l’art antérieur : l’intégrité des électrodes est préservée et leur usure est beaucoup moins importante. Cela permet notamment d’utiliser une électrode 12 avec un fil de faible diamètre et d’améliorer la durée de vie du dispositif.
Dimensionnement
La génération du plasma autour de la première électrode 12 peut être obtenue avec différentes configurations du dispositif. La conductivité de l’électrolyte liquide, le diamètre de la première électrode 12 et la tension appliquée aux bornes des électrodes 12, 13 sont en particulier choisis pour réaliser la génération du plasma souhaitée.
Pour créer un plasma autour de la première électrode, la densité du dépôt d’énergie électrique dans l’électrolyte liquide doit être suffisante pour créer un volume de vapeur d’eau. Le champ électrique doit également être suffisamment intense pour ioniser la vapeur d’eau.
La distance entre les électrodes n’est donc pas un facteur majeur pour l’obtention d’un plasma. Toutefois, on veille de préférence à ce que la distance entre les électrodes soit supérieure à l’extension spatiale du plasma formé, soit une distance typiquement supérieure à 1 mm, à 2 mm, à 5 mm ou à 10 millimètres. De préférence encore, la distance entre les électrodes est suffisamment grande pour éviter les claquages directs par création d’un canal de vapeur entre les électrodes. Cette distance dépend de la tension utilisée et est typiquement de l’ordre de 1mm à 10 mm. De préférence, la conductivité de l’électrolyte liquide est choisie de sorte qu’il présente une résistance électrique entre les première et deuxième électrodes qui soit inférieure ou égale à 20 ohms, de préférence à 10 ohms ou à 5 ohms. Toutefois, une conductivité inférieure est possible si la tension appliquée est suffisamment importante.
Alternativement ou en combinaison, la conductivité de l’électrolyte liquide est de préférence supérieure à 1 S/m, à 2 S/m, à 4 S/m ou à 10 S/m.
L’électrolyte liquide est de préférence de l’eau mélangée à une base ou à un acide. En particulier, l’électrolyte liquide peut être un mélange d’eau et de soude à une concentration comprise entre 0,05 mol/1 et 1 mol/1.
La première électrode est une électrode sous la forme d’un fil, c’est-à-dire un cylindre de section circulaire. Son diamètre est choisi pour permettre la génération du plasma en fonction de la tension appliquée. La formation du plasma est facilitée lorsque le diamètre de la première électrode est faible. On choisit de préférence un cylindre dont le diamètre est compris entre 0,1 mm et 2 mm. Un diamètre supérieur est envisageable s’il permet l’obtention d’un plasma.
La longueur de la première électrode est de préférence supérieure ou égale à 1 cm et inférieure ou égale à 10 m, à 5 m ou à 10 cm. En particulier, une longueur de l’ordre du mètre est bien adaptée dans une installation de chauffage telle qu’un ballon d’eau chaude de grande taille. Dans ce cas, un courant important circule dans le circuit et le condensateur et l’alimentation électrique peuvent être dimensionnés en conséquence.
De préférence, la première électrode est métallique, notamment réalisée en cuivre, en fer, en nickel, en palladium, en tantale ou en tungstène,
Plus la tension appliquée entre les électrodes est élevée, plus le champ électrique est important, favorisant l’ionisation de la vapeur d’eau. Cependant, l’utilisation de hautes tensions nécessite des équipements électriques adaptés et des conditions de sécurité plus strictes. Le choix de la tension utilisée dépendra donc des conditions de mises en œuvre de l’invention. On utilise de préférence des tensions comprises entre 100 V et 4000 V.
De façon avantageuse, la tension appliquée entre les électrodes est appliquée par impulsions de durée courte, de préférence comprise entre 1 ps et 10 ms. La tension appliquée peut être constante durant une impulsion. Elle peut être identique pour chacune des impulsions. Alternativement, le signe de la tension appliquée peut être changé après un certain nombre d’impulsions réalisées, en particulier après chaque impulsion. On obtient dans ce cas une alternance d’impulsions de tensions positives et négatives.
Alternativement ou en combinaison, la fréquence des impulsions peut être variable. En particulier, une première série d’impulsions peut être réalisée à une fréquence élevée, suivie d’une pause d’une durée de préférence comprise entre 1 s et 10 s, puis une nouvelle série d’impulsions peut être réalisée à une fréquence élevée, avec une tension de même signe ou de signe opposé à celle utilisée lors de la première série d’impulsions.
D’autres profils temporels de tension peuvent également être utilisés.
Dans un exemple de mise en œuvre de l’invention illustré à la figure 11, l’enceinte 11 est réalisée en acier et a une forme cylindrique avec un diamètre de 13 cm et une longueur de 15 cm. L’enceinte est ouverte sur une face supérieure et contient un mélange d’eau et de soude formant un électrolyte liquide.
Une première électrode 12 est immergée dans l’électrolyte liquide à une profondeur comprise entre 0,5 cm et 3 cm. La première électrode s’étend selon l’axe central de l’enceinte, à une distance de 6,5 cm de sa paroi. La première électrode 12 est métallique, de préférence réalisée en cuivre, en fer, en nickel, en palladium, en tantale ou en tungstène, et est un cylindre droit avec un diamètre compris entre 0,1 mm et 2 mm.
La paroi cylindrique de l’enceinte 11, reliée à la masse électrique, constitue la deuxième électrode 13.
Le tableau 1 détaille les résultats de mesures obtenues pour une décharge avec le dispositif décrit en fonction de la concentration en soude du liquide conducteur et de la tension imposée entre les électrodes.
[Tableau 1]
Pour une concentration nulle de soude, c’est-à-dire en utilisant de l’eau pure, on constate que l’énergie thermique générée est modeste et inférieure à l’énergie électrique fournie. Les inventeurs ont constaté qu’aucun plasma ne se forme dans ces conditions expérimentales avec la configuration du dispositif utilisée.
Pour des concentrations de soude supérieures ou égales à 0, 1 mol/l, les inventeurs ont pu obtenir la formation d’un plasma et ont constaté que l’énergie thermique générée est importante, supérieure à l’énergie électrique fournie.
Il ressort d’ailleurs du tableau 1 que le courant circulant dans le circuit augmente fortement avec la concentration de soude. Dans ces conditions, il peut être préférable de baisser la tension imposée afin de limiter l’intensité du courant.
La figure 10 représente l’évolution du courant I et de la tension U en fonction du temps t pour le même dispositif en fonction du nombre de décharges N.
Contrairement à ce qu’on observe à la figure 5, la durée des décharges obtenues avec le dispositif selon l’invention ne présente pas de variation significative d’une décharge à l’autre : le phénomène est stable.
De plus, aucune usure des électrodes n’est constatée : les performances du dispositif restent constantes avec le nombre de décharges. Visuellement, les inventeurs ont également constaté qu’aucune usure n’est apparente sur les électrodes, même après plusieurs dizaines de milliers de décharges.
Mesure de l’énergie thermique obtenue Pour mesurer l’énergie thermique dégagée par une décharge du dispositif selon l’invention, le procédé de mesure suivant peut être utilisé.
Le principe du procédé de mesure consiste à chauffer le liquide conducteur à la limite de l’ébullition et à mesurer la diminution de la masse dans l’enceinte lors des décharges, ce qui correspond à l’évaporation d’une partie du liquide contenu dans l’enceinte.
Ainsi, le procédé de mesure permet d’obtenir le taux d’évaporation avec et sans décharges du dispositif de génération de chaleur selon l’invention, ce qui mène à l’énergie thermique générée par les décharges.
Comme illustré à la figure 11, le procédé de mesure met en œuvre une balance 30 sur laquelle est agencée l’enceinte 11 du dispositif de génération de chaleur. La balance permet de mesurer la diminution de la masse du liquide contenu dans l’enceinte.
La première électrode 12 est reliée à l’alimentation électrique 16. Un transistor bipolaire à grille isolée fait office d’interrupteur 17 entre la première électrode 12 et l’alimentation électrique 16. Le dispositif de génération de chaleur comporte également un condensateur 18 agencé entre l’alimentation électrique et la masse électrique.
La paroi de l’enceinte 11 fait office de deuxième électrode et est reliée à la masse.
La tension entre la première électrode 12 et la paroi sensiblement cylindrique de l’enceinte 11 faisant office de deuxième électrode est mesurée par un dispositif de mesure de tension 20. Le courant entre la paroi de l’enceinte et la masse électrique est mesurée par un dispositif de mesure d’intensité 21.
Le dispositif de génération de chaleur selon l’invention permet de chauffer l’électrolyte liquide dans lequel sont immergées les électrodes. La chaleur générée peut être transmise par conduction à un milieu extérieur au dispositif.
L’enceinte 11 peut ainsi remplacer la résistance d’un cumulus pour chauffer de l’eau dans un chauffe-eau. De manière similaire, le dispositif de génération de chaleur peut être utilisé pour chauffer de l’eau pour le chauffage d’un bâtiment en remplaçant une chaudière électrique ou à gaz. La figure 12 représente une installation de chauffage 40 d’un fluide 42 comportant un récipient 41 contenant le fluide 42. L’enceinte 11 du dispositif de génération de chaleur est fermée hermétiquement et est agencée dans le récipient 41 au contact du fluide, de sorte que la chaleur générée dans l’enceinte 11 soit communiquée au fluide.
La chaleur générée par le dispositif peut également être utilisée pour produire de la vapeur d’eau, soit en chauffant un réservoir d’eau séparé, soit en utilisant directement la vapeur d’eau produite dans l’enceinte 11.
Avantageusement, l’enceinte 11 a un volume compris entre 0,1 et 10 litres.
De préférence, dans le cadre de l’utilisation d’une installation de chauffage d’un fluide, le dispositif de génération de chaleur génère des décharges d’une durée comprise entre 1 ps et 10 ms à une fréquence de 0,1 Hz à 100 kHz jusqu’à ce que le fluide atteigne la température désirée.
La vapeur d’eau générée peut être utilisée en particulier pour cuire des aliments, pour réaliser des procédés de vulcanisation, pour produire de l’énergie en faisant tourner une turbine, pour réaliser du vapocraquage, pour hydrater un milieu tel que du papier en cours de production ou encore pour des procédés de nettoyage et/ou de stérilisation (sols, chaudières, dispositifs médicaux...).
Les inventeurs ont également constaté une production d’hydrogène dans le plasma chaud créé lors de la décharge : le dispositif selon l’invention peut donc également permettre la génération d’hydrogène.
D’autres variantes et améliorations peuvent être prévues sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Liste des références citées
[1] : « Décharges électriques dans l’eau : bilans d’énergie », Clauzon et al., Annales de la Fondation Louis de Broglie, Volume 43, numéro 1, pages 91-101, 2018.

Claims

Revendications
1. Dispositif (100) de génération de chaleur, comportant :
- une enceinte (11) contenant un électrolyte liquide (14),
- une première électrode (12) sous la forme d’un fil et une deuxième électrode (13) qui s’étend selon une surface, de préférence plane, et est agencée selon une configuration dite fil- surface avec la première électrode, les première et deuxième électrodes étant immergées au moins partiellement dans l’électrolyte liquide,
- une alimentation électrique (16) configurée pour générer une tension électrique, de préférence sous forme d’impulsions, entre les première et deuxième électrodes de sorte à générer un plasma autour de la première électrode.
2. Dispositif selon la revendication 1, la première électrode ayant un diamètre compris entre 0, 1 mm et 2 mm.
3. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, la distance entre les première et deuxième électrodes étant supérieure à 1 mm, de préférence à 2 mm, à 5 mm ou à 10 mm.
4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, la conductivité de l’électrolyte liquide et la distance entre les première et deuxième électrodes étant choisies de sorte que la résistance de l’électrolyte liquide entre ces dernières soit inférieure ou égale à 20 ohms, de préférence à 10 ohms ou à 5 ohms.
5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’électrolyte liquide étant un mélange d’eau et d’une base ou d’un acide, en particulier un mélange d’eau et de soude.
6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’enceinte comportant un système de vidange de l’électrolyte liquide afin de permettre son remplacement.
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, une paroi de l’enceinte formant la deuxième électrode.
8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’enceinte ayant un volume compris entre 0,1 litre et 10 litres.
9. Installation (40) de chauffage d’un fluide (42), comportant :
- un récipient (41) contenant le fluide et - un dispositif selon l’une des revendications précédentes, l’enceinte du dispositif étant fermée hermétiquement et agencée à l’intérieur du récipient et au contact du fluide.
10. Procédé de fonctionnement du dispositif selon l’une des revendications 1 à 8, comportant une étape consistant à appliquer par impulsions, une tension électrique, de préférence comprise entre 100 V et 10000 V, entre les première et deuxième électrodes au moyen de l’alimentation électrique de sorte à générer un plasma autour de la première électrode.
11. Procédé selon la revendication précédente, la tension étant appliquée par impulsions de durée comprise entre 1 ps et 10 ms.
12. Procédé selon la revendication précédente, le signe de la tension appliquée étant alterné entre positif et négatif entre deux impulsions consécutives.
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