[0001] La présente invention concerne un dispositif de chauffage d'un liquide en circulation
par micro-ondes. Elle s'applique notamment au chauffage de l'eau ou de liquides tels
que les huiles, les liqueurs ou encore le lait.
[0002] On sait que les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de haute fréquence
qui peuvent être émises par un générateur approprié par exemple de type magnétron.
Ce générateur, alimenté par un courant électrique, convertit l'énergie électrique
apportée par ce courant en énergie électromagnétique. Les micro-ondes émises par
le générateur provoquent, dans un liquide tel que l'eau par exemple, des oscillations
des molécules de ce liquide, à savoir un pivotement de chaque molécule de 180° suivi
d'un retour à sa position initiale, la fréquence desdites oscillations étant égale
à la fréquence des micro-ondes. Pour la fréquence généralement adoptée de 2450 MHz,
les molécules oscillent donc 2450.10⁶ fois par seconde. Ces oscillations extrêmement
rapides provoquent des frictions des molécules les unes contre les autres et il en
résulte un chauffage de l'eau.
[0003] On connaît déjà un dispositif de chauffage d'eau en circulation par micro-ondes.
Ce dispositif est utilisé par les fabricants de générateurs de micro-ondes pour mesurer
le rendement de ces générateurs. Un tel dispositif connu est schématiquement représenté
sur la figure 1 et comprend, outre un générateur de micro-ondes 2 par exemple du
type magnétron, un transformateur 4 basse tension/haute tension prévu pour l'alimentation
électrique du magnétron (ce dernier nécessitant une tension d'alimentation élevée
qui peut être de 2500 V, 4000 V ou 6000 V par exemple). L'énergie électrique ainsi
reçue par le magnétron est transformée par ce dernier en énergie électromagnétique
sous la forme d'un flux de micro-ondes.
[0004] Le dispositif comprend également un guide d'ondes 6 qui conduit les micro-ondes,
ainsi qu'un organe creux 8 qui est appelé "charge à eau" ou "applicateur" et qui est
transparent aux micro-ondes. Cet organe creux a deux extrémités ouvertes formant respectivement
une entrée et une sortie dudit organe. Ce dernier est relié au générateur de micro-ondes
par l'intermédiaire du guide d'onde 6. Une canalisation 10 d'arrivée du liquide à
chauffer -en l'occurrence de l'eau- est reliée à l'entrée de l'organe creux 8 et une
canalisation 12 d'évacuation de ce liquide est reliée à la sortie de cet organe creux
8 de façon que le liquide à chauffer puisse circuler à travers cet organe creux.
[0005] L'énergie des micro-ondes est ainsi communiquée à l'eau qui traverse l'organe creux
et qui s'échauffe d'une température d'entrée Te à une température de sortie Ts supérieure
à Te.
[0006] Le dispositif comprend en outre une pièce métallique 14 par exemple en cuivre, qui
est montée sur le guide d'ondes 6 et appelée "adaptateur de charge". Cette pièce,
dont la position est réglable, permet d'adapter la charge à eau au guide d'onde 6
pour empêcher la réflexion d'une partie du flux de micro-ondes vers le générateur
2.
[0007] Dans la plupart des cas, l'organe creux 8 est constitué par un tube en forme de cylindre
droit, qui est par exemple fait d'une matière plastique ou d'une céramique transparente
à ces micro-ondes.
[0008] Dans beaucoup de procédés industriels, le rendement de chauffage est un facteur très
important puiqu'il intervient directement sur la consommation énergétique. Or, le
rendement des générateurs de micro-ondes industriels est faible, de l'ordre de 50%
à 60%.
[0009] Ceci signifie qu'environ 40% à 50% de l'énergie électrique servant à alimenter ces
générateurs est perdue dans le refroidissement nécessaire à ceux-ci.
[0010] Des recherches ont été faites en vue d'augmenter le rendement des générateurs de
micro-ondes. En particulier, le brevet français FR-A-2 483 158 décrit un dispositif
de chauffage par micro-ondes qui comporte une charge à eau de forme compliquée (en
forme de fer à cheval).
[0011] Par ailleurs, il est connu, notamment dans le cas d'un générateur de micro-ondes
de forte puissance (supérieure à environ 3kW par exemple), de munir ce générateur
d'un échangeur de chaleur 16 destiné à refroidir le générateur. Cet échangeur 16 est
par exemple constitué par un serpentin 17 qui est placé dans le corps du générateur
et dans lequel est destiné à circuler un fluide de refroidissement tel que l'eau par
exemple. L'entrée de l'échangeur 16 est reliée à une canalisation 18 d'arrivée de
fluide de refroidissement (eau froide) et sa sortie est reliée à une canalisation
20 permettant l'évacuation du fluide de refroidissement chauffé, lors de la traversée
de l'échangeur 16, par la chaleur dégagée par le générateur de micro-ondes.
[0012] La présente invention vise à améliorer le rendement des dispositifs de chauffage
de liquides en circulation par micro-ondes pour atteindre des rendements de l'ordre
de 90% ou plus, sans utiliser un organe creux de forme compliquée.
[0013] Pour ce faire, la présente invention utilise la chaleur perdue dans le refroidissement
du générateur de micro-ondes pour chauffer le liquide en circulation avant que ce
dernier ne soit chauffé dans l'organe creux.
[0014] De façon précise, la présente invention a pour objet un dispositif de chauffage d'un
liquide en circulation par des micro-ondes, ce dispositif comprenant :
- un générateur de micro-ondes,
- un guide d'ondes destiné à transmettre les micro-ondes produites par le générateur,
- un organe creux et transparent aux micro-ondes ayant deux extrémités ouvertes qui
forment respectivement une entrée et une sortie dudit organe, le liquide à chauffer
étant destiné à circuler de l'entrée à la sortie de l'organe, ce dernier étant couplé
électromagnétiquement au générateur par l'intermédiaire du guide d'ondes de sorte
que le liquide est chauffé par les micro-ondes lorsqu'il traverse l'organe creux,
et
- un échangeur de chaleur qui permet le refroidissement du générateur de micro-ondes
par circulation d'un fluide de refroidissement dans cet échangeur,
dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de couplage thermique
du générateur à l'organe creux, ces moyens de couplage thermique étant prévus pour
que le liquide à chauffer y circule et y soit chauffé du fait de la chaleur dégagée
par le générateur, avant de circuler dans l'organe creux et d'y être chauffé par les
micro-ondes.
[0015] Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
les moyens de couplage thermique comprennent ledit échangeur de chaleur et une canalisation
reliant la sortie de celui-ci à l'entrée de l'organe creux, le liquide à chauffer
étant destiné à circuler de l'entrée dudit échangeur de chaleur à la sortie de l'organe
creux et servant donc aussi de fluide de refroidissement du générateur.
[0016] Selon un second mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
les moyens de couplage thermique comprennent un autre échangeur de chaleur comportant
:
- un circuit primaire dont l'entrée est reliée à la sortie de l'échangeur de chaleur
permettant le refroidissement du générateur de micro-ondes, et qui est donc destiné
à être traversé par le fluide de refroidissement, ce dernier étant chauffé par passage
dans l'échangeur de chaleur permettant le refroidissement du générateur de micro-ondes,
et
- un circuit secondaire qui est couplé thermiquement au circuit primaire et dont la
sortie est reliée à l'entrée de l'organe creux par une canalisation, le liquide à
chauffer étant destiné à circuler de l'entrée du circuit secondaire à la sortie de
l'organe creux.
[0017] Ce second mode de réalisation particulier est particulièrement adapté au chauffage
de liquides corrosifs tels que des acides ou des bases fortes.
[0018] De préférence, le circuit secondaire dudit autre échangeur de chaleur et la canalisation
reliant ce circuit secondaire à l'organe creux sont conçus pour la circulation de
tels liquides corrosifs, c'est-à-dire pour ne pas être endommagés par ceux-ci.
[0019] Enfin, le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre un échangeur de
chaleur supplémentaire prévu pour récupérer de la chaleur du liquide chauffé dans
le dispositif, après utilisation de ce liquide, et pour chauffer, avec cette chaleur,
ce même liquide avant son entrée dans le dispositif.
[0020] La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif,
en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif connu de chauffage d'eau en
circulation par des micro-ondes et a déjà été décrite,
- la figure 2 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation particulier
du dispositif objet de l'invention,
- la figure 3 est une vue shématique d'un second mode de réalisation particulier du
dispositif objet de l'invention, et
les figures 4 et 5 sont des vues schématiques de perfectionnements respectivement
apportés aux dispositifs des figures 2 et 3.
[0021] Sur la figure 2 on a représenté schématiquement un premier mode de réalisation particulier
du dispositif objet de l'invention.
[0022] Le dispositif schématiquement représenté sur la figure 2 est utilisable par exemple
pour le chauffage d'eau et conforme au dispositif qui est représenté sur la figure
1 excepté que les canalisations 10 et 20 de ce dernier dispositif sont remplacées,
dans le dispositif qui est représenté sur la figure 2, par une canalisation 22 qui
relie la sortie de l'échangeur de chaleur 16 à l'entrée de l'organe creux 8.
[0023] En outre, l'eau à chauffer sert également de fluide de refroidissement du générateur
de micro-ondes 2 et circule de la façon suivante dans le dispositif : elle arrive
dans l'échangeur 16 par la canalisation 18, traverse cet échangeur, la canalisation
22 et l'organe creux 8 dont elle ressort par la canalisation 12. L'eau traverse ainsi
successivement l'échangeur 16 et l'organe creux 8 dans lesquels elle est chauffée.
[0024] Si le générateur de micro-ondes 2 a un rendement de l'ordre de 50%, le flux thermique
F1 dissipé dans l'échangeur 16 est sensiblement égal au flux thermique F2 dissipé
dans l'organe creux 8. De ce fait, l'échauffement de l'eau dans l'échangeur 16 est
sensiblement le même que celui qui a lieu dans la charge à eau.
[0025] En désignant respectivement par Te, T1s et Ts la température de l'eau à l'entrée
de l'échangeur 16, la température de l'eau à la sortie de cet échangeur et la température
de l'eau à la sortie de l'organe creux 8, la température T1s est donc sensiblement
égale à la demi-somme de Te et Ts.
[0026] Or, le rendement du dispositif représenté sur la figure 2 est égal à :
Q.Cp.(Ts-Te).Pc⁻¹ .860⁻¹
formule dans laquelle Q, Cp et Pc représentent respectivement le débit de l'eau (exprimé
en kg/h), la chaleur spécifique de l'eau, qui vaut environ 1 kcal/(kg.°c), et la puissance
consommée par le générateur et le transformateur d'alimentation de ce dernier (exprimée
en kW), Ts et Te étant exprimées en °C.
[0027] On voit donc que le rendement du dispositif qui est représenté schématiquement sur
la figure 2 est supérieur au rendement du dispositif qui est schématiquement représenté
sur la figure 1, c'est-à-dire au rendement du générateur de micro-ondes, pour un
même liquide à chauffer, un même débit Q de ce liquide et une même puissance Pc bien
entendu.
[0028] En effet, le rendement du générateur est seulement égal à :
Q.Cp.(Ts-T1s).Pc⁻¹.860⁻¹
[0029] On peut ainsi atteindre un rendement supérieur ou égal à 90% avec la présente invention.
[0030] Toutefois, ce rendement peut être limité par le fait que la température du fluide
de refroidissement à la sortie de l'échangeur de chaleur 16 ne doit pas excéder 80°C
pour certains générateurs de micro-ondes, le débit Q devant être réglé en conséquence.
[0031] Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un autre dispositif conforme à l'invention.
Cet autre dispositif est tout particulièrement adapté au cas où le liquide à chauffer
est très corrrosif et par là même incompatible avec le circuit de l'échangeur 16 permettant
le refroidissement du générateur de micro-ondes. Ce liquide corrosif est par exemple
un acide ou une base forte. On notera toutefois que le dispositif de la figure 2 peut
être utilisé pour chauffer certains liquides qui ne sont pas trop corrosifs, à condition
que l'échangeur 16 soit adapté à de tels liquides : on peut utiliser un échangeur
16 métallique dont le revêtement interne est fait d'une résine fluorée.
[0032] Le dispositif qui est schématiquement représenté sur la figure 3 diffère du dispositif
qui est représenté sur la figure 1 par le fait qu'il comporte en outre un autre échangeur
de chaleur 24. Celui-ci est fait en un matériau qui résiste au liquide corrosif à
chauffer, par exemple un matériau métallique tel que le titane, l'acier inoxydable
ou le tantale, ou encore une matière plastique telle que le polypropylène, le polyfluorure
de vinylidène (PVDF) ou le polytétrafluoréthylène (PTFE).
[0033] L'échangeur de chaleur 24 est prévu pour transférer de la chaleur qui a été communiquée
au fluide de refroidissement du générateur de micro-ondes, au liquide à chauffer,
et comprend un circuit primaire 25 dont l'entrée est reliée à la sortie de l'échangeur
16 par une canalisation 26 et dont la sortie est reliée à une canalisation 28 d'évacuation
du fluide de refroidissement qui est par exemple un liquide tel que l'eau. Ce circuit
primaire est donc intégré au circuit de refroidissement du générateur 2 de micro-ondes
: le liquide de refroidissement pénètre dans l'échangeur 16 par la canalisation 18,
s'échauffe dans cet échangeur 16, parcourt la canalisation 26, puis le circuit primaire
de l'échangeur 24 dont il sort par la canalisation 28 servant à son évacuation.
[0034] L'échangeur 24 comprend également un circuit secondaire 30, par exemple en forme
de serpentin, dont l'entrée est reliée à une canalisation 32 d'arrivée du liquide
corrosif à chauffer dans le dispositif et dont la sortie est reliée à l'entrée de
l'organe creux 8 par l'intermédiaire d'une canalisation 34. Le circuit secondaire
est couplé thermiquement au circuit primaire. A cet effet, le circuit primaire a par
exemple la forme d'une cuve qui comporte à l'une de ses deux extrémités une ouverture
d'entrée de liquide de refroidissement et à son autre extrémité, une ouverture de
sortie de liquide de refroidissement. Le circuit secondaire traverse cette cuve de
façon étanche, le serpentin que comporte ce circuit secondaire étant à l'intérieur
de la cuve.
[0035] De préférence, le liquide à chauffer arrive dans le circuit secondaire par l'extrémité
de la cuve d'où sort le liquide de refroidissement et sort donc du circuit secondaire
par l'extrémité de la cuve où pénètre le liquide de refroidissement.
[0036] Le liquide à chauffer dans le dispositif arrive ainsi dans le circuit secondaire
de l'échangeur 24 par la canalisation 32, se chauffe dans cet echangeur 24 par échange
thermique avec le circuit primaire dans lequel circule le liquide ayant servi à refroidir
le générateur 2 de micro-ondes et sort de l'échangeur 24 pour arriver à l'organe creux
8 par l'intermédiaire de la canalisation 34. En circulant dans cet organe creux 8,
le liquide à chauffer dans le dispositif s'échauffe encore plus du fait des micro-ondes
et ressort de l'organe creux par la canalisation 12.
[0037] Le débit du liquide de refroidissement du générateur de micro-ondes est de préférence
réglé de telle manière que sa température T3s à la sortie de l'échangeur 16 soit la
plus élevée possible afin de réduire au maximum la taille de l'échangeur 24. En effet,
on cherche à obtenir un écart T3s-T1e maximum entre la température T3s du liquide
de refroidissement à sa sortie de l'échangeur 16 et la température T1e du liquide
froid, à l'entrée du circuit secondaire. Il faut toutefois tenir compte, comme on
l'a déjà indiqué plus haut, du fait que pour certains générateurs de micro-ondes la
température T3s du liquide de refroidissement ne doit pas dépasser 80°C à la sortie
de l'échangeur 16.
[0038] Le dispositif représenté sur la figure 3 permet également d'obtenir un rendement
supérieur à celui du dispositif qui est représenté sur la figure 1.
[0039] Des essais effectués sur de l'eau domestique avec un dispositif conforme à celui
de la figure 3, muni d'une charge à eau adaptée de forme cylindrique droite, en céramique,
ont permis de vérifier les avantages de l'invention, avec les conditions suivantes
:
- débit d'eau froide à chauffer dans le dispositif : Q=130kg/h (2,17 l/mn)
- température T1e : 12°C
- temperature de l'eau de refroidissement à sa sortie de l'échangeur 16 : T3s = 50°C
- température de sortie de la charge à eau : T4s = 54°C
- température de l'eau à chauffer, à sa sortie de l'échangeur 24 : T2s = 31°C
- puissance électrique consommée : Pc=7kW.
[0040] Le rendement du dispositif représenté sur la figure 3 est donc égal à :
Q.Cp.(T4s-T1e).Pc⁻¹.860⁻¹= 130x1x42x7⁻¹ x860⁻¹ =0,91 alors que le rendement du générateur
de micro-ondes vaut :
Q.Cp.(T4s-T2s).Pc⁻¹ .860⁻¹ =130x1x23x7¹⁻ x860¹⁻ =0,5.
[0041] L'augmentation mesurée du rendement de chauffage est donc de l'ordre de :
(0,91 - 0,5) / 0,5 = 82%
[0042] La présente invention permet donc une augmentation du rendement extrêmement élevée,
voisine de 80%.
[0043] Bien entendu, les canalisations 22 (figure 2), 26 et 34 (figure 3) sont réalisées
de telle manière que les liquides qui y circulent y perdent le moins de chaleur possible.
A cet effet, les canalisations en question peuvent être munies de moyens calorifuges
(non représentés).
[0044] Le dispositif représenté schématiquement sur la figure 4 est un perfectionnement
du dispositif de la figure 2 et permet d'augmenter la température du liquide à chauffer
préalablement à son entrée dans le dispositif. Plus précisément, ce liquide, une fois
chauffé, sort du dispositif par la canalisation 12 parcourt une installation 36 dans
laquelle il est utilisé et aboutit à un bac de récupération 38. Le dispositif de la
figure 4 est identique à celui de la figure 2 avec, en plus, un échangeur de chaleur
40 dont le circuit primaire est parcouru par le liquide issu du bac de récupération
et dont le circuit secondaire est parcouru par le liquide à chauffer dans le dispositif,
préalablement à son entrée dans ce dispositif par la canalisation 18. Ainsi le liquide
que l'on souhaite chauffer dans le dispositif est-il préchauffé dans l'échangeur 40
grâce au liquide encore chaud issu du bac 38 qui, après son passage dans l'échangeur
40, arrive à un bac de stockage 42 d'où il est ensuite évacué.
[0045] L'utilisation de l'échangeur 40 que l'on vient de décrire permet de réduire la puissance
électrique consommée par le générateur de micro-ondes 2 -et donc le coût d'exploitation
de l'installation représentée sur la figure 2 pour la même température Ts de sortie
du dispositif. A titre d'exemple, la réduction de puissance consommée peut être de
l'ordre de 25% pour le chauffage d'eau ultra-pure jusqu'à 80°C.
[0046] Bien entendu, si l'on souhaite chauffer puis utiliser un liquide agressif dans l'installation
-par exemple de l'eau pure ou ultra-pure en vue d'un lavage ou d'un rinçage- cette
installation doit être conçue pour résister à l'agressivité du liquide en question.
En particulier, l'échangeur 16 du magnétron 2 peut être, dans ce cas, un échangeur
métallique ayant un revêtement interne constitué par une résine fluorée et l'échangeur
de chaleur 40 est par exemple fait d'une matière plastique telle que le PVDF.
[0047] Il faut évidemment que la température du liquide issu du bac 38 soit suffisamment
élevée pour obtenir un pré-chauffage non négligeable. A titre d'exemple, si l'on souhaite
préchauffer de l'eau pure ou ultra-pure, une température au moins égale à 60°C pour
l'eau issue du bac 38 est acceptable.
[0048] Si le liquide à chauffer est trop agressif, l'échangeur 40 est adapté à ce liquide
et adjoint au dispositif représenté sur la figure 3, ce qui conduit au dispositif
représenté sur la figure 5 : le liquide issu du bac 38 traverse le circuit primaire
de l'échangeur 40 puis aboutit au bac de stockage 42 et le liquide agressif que l'on
veut préchauffer parcourt le circuit secondaire de l'échangeur 40 puis aboutit à l'entrée
du circuit secondaire de l'échangeur 24 (adapté au liquide agressif considéré) par
l'intermédiaire de la canalisation 32.
[0049] On notera que le fluide de refroidissement du générateur 2 peut être un gaz, l'air
par exemple, lorsque l'échangeur 24 est utilisé (et choisi pour permettre le transfert
de chaleur d'un gaz à un liquide).
[0050] La présente invention a de nombreuses applications dans des domaines très variés.
Elle s'applique notamment à la réalisation de chauffe-eau domestiques ou industriels
(secteur de l'électroménager), au réchauffage d'eau ultra pure (secteur de la micro-électronique),
au réchauffage d'eau déminéralisée (secteur de la pharmacie, de la médecine), au réchauffage
de solution acides agressives (secteur de la chimie) et au réchauffage d'huiles, de
liqueurs ou de produits laitiers liquides (secteur de l'agro-alimentaire).
1. Dispositif de chauffage d'un liquide en circulation par des micro-ondes, ce dispositif
comprenant :
- un générateur de micro-ondes (2),
- un guide d'ondes (6) destiné à transmettre les micro-ondes produites par le générateur,
- un organe (8) creux et transparent aux micro-ondes, ayant deux extrémités ouvertes
qui forment respectivement une entrée et une sortie dudit organe, le liquide à chauffer
étant destiné à circuler de l'entrée à la sortie de l'organe, ce dernier étant couplé
électromagnétiquement au générateur par l'intermédiaire du guide d'ondes de sorte
que le liquide est chauffé par les micro-ondes lorsqu'il traverse l'organe creux,
et
- un échangeur de chaleur (16) qui permet le refroidissement du générateur de micro-ondes
par circulation d'un fluide de refroidissement dans cet échangeur,
dispositif caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de couplage thermique
(16, 22; 24, 34) du générateur (2) à l'organe creux (8), ces moyens de couplage thermique
étant prévus pour que le liquide à chauffer y circule et y soit chauffé du fait de
la chaleur dégagée par le générateur, avant de circuler dans l'organe creux et d'y
être chauffé par les micro-ondes.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage
thermique comprennent ledit échangeur de chaleur (16) et une canalisation (22) reliant
la sortie de celui-ci à l'entrée de l'organe creux, le liquide à chauffer étant destiné
à circuler de l'entrée dudit échangeur de chaleur (16) à la sortie de l'organe creux
(8) et servant donc aussi de fluide de refroidissement du générateur.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage
thermique comprennent un autre échangeur de chaleur (24) comportant :
- un circuit primaire (25) dont l'entrée est reliée à la sortie de l'échangeur de
chaleur (16) permettant le refroidissement du générateur de micro-ondes (2), et qui
est donc destiné à être traversé par le fluide de refroidissement, ce dernier étant
chauffé par passage dans l'échangeur de chaleur (16) permettant le refroidissement
du générateur de micro-ondes, et
- un circuit secondaire (30) qui est couplé thermiquement au circuit primaire (25)
et dont la sortie est reliée à l'entrée de l'organe creux (8) par une canalisation
(34), le liquide à chauffer étant destiné à circuler de l'entrée du circuit secondaire
(30) à la sortie de l'organe creux (8).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit secondaire
(30) dudit autre échangeur de chaleur (24) et la canalisation (34) reliant ce circuit
secondaire à l'organe creux (8) sont conçus pour la circulation d'un liquide corrosif.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il
comprend en outre un échangeur (40) prévu pour récupérer de la chaleur du liquide
chauffé dans le dispositif, après utilisation de ce liquide, et pour chauffer, avec
cette chaleur, ce même liquide avant son entrée dans le dispositif.