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Dispositif d'électrodes continues pour appareils mangétohydrodyanaiues
La présente invention concerne les générateurs élec- triques du type mangétohycrodymiqeu et plus particulièrement les électrodes utilisées dans de tels générateurs.
L'invetion a en particulier pour objet une électrode dite continue ou consommable, c'est-à-dire régénérée au fur et à mesure de sa consommation ou de son usure dans le générateur.
On connaît pour diverses applications, en particulier dans certains fours électriques de telles électrodes continues ou consommables, constituées par des tubes dans lesquels on in- troduit une pâte formant l'électrode proprement dite. En général ces tubes sont disposés verticalement et l'on introduit la paie à la partie supérieure, le four électrique étant siué en dessous.
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La chaleur du four durcit la pâte dans la partie inférieure du tube et il se forme ainsi, une électrode solide qui descend d'un mouvement lent et régulier ru cours de son usure ou de sa con- sommation dans le four.
La présente invention a pour objet un dispositif d'élec- trodes partant d'un principe analogue,spécialement conçues pour les générateurs électriques magnétohydrodyaniques.
On connaît déhj un dispositif d'électrode continuée pour générateurs magnétohydrodynamique,s qui utilise du charbon en poudre. le charbon progresse entre deux parois planes et parallèles disposées le plus généralement verticalement et l'on a ainsi une électrode unique s'étendant sur toute la hauteur d'un générateur, dont la veine pour le courant gazeux est dis- posée verticalement. Ce dispositif présente l'inconvénient de ne permettre 1 'utilisation que d'un nombre limité d'électrodes, alors que dans certains cas il est intéressant d'en avoir plu- sieurs dizaines. D'autre port il feut exercer des forces consi- dérables pour faire progresser le charbon en poudre.
En outre le charbon contient de la silice qui n'est pas consommée dans le générateur en même temps que le charbon, la silice restant sur les prrois réfractaires du générateur. Au fur et à mesure de la consommation du charbon, la silice s'accumule, et même avec un dharon à faible teneur en silice, avec le temps, la quantité de silice devient suffisante pour détruire les parois réfractaires du générateur. En effet, on sait que les gaz, à l'intérieur du générateur, doivent être à uno température très élevée, de l'ordre de 2.000 b 3.000' C, et pour résister à de telles températures on emploie habituellement comme matériau réfreactiare de l'alumine pure.
Or la silice forme avec l'alu- mine des composés aucectïdes qui fonent à 1,500 et à 1.800'.
Le charbon contient également d'autresimpuretés comme l'oxyde de fer Fe2 03 qui, avec l'alumine forme un eutecoïde qui fond à 1,300 .
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Il existe également d'autres eutectoïdes qui peuvent être formés avec les impuretés que l'on trouve dans le charbon, par exemple l'ecteuoïde Ca 0, Fe 0, alumine et silice, l'on** dant à 1280 .
Il est certain qu'avec une évolution lente dans le temps on arrive à former ces différents composés, ce qui en- traine la destruction plus ou moins rapide des parois réfrao- taires du générateur. Or il est nécessaire de travailler à haute température pour avoir le meilleur rendement. En effet à température assez basse, on appauvrit le plasma vis à vis de la semence qui se dépose par exemple entre 1500 et 1600' C (température d'ébullition de le potasse).
La présente invention a pour objet une électrode qui évite ces divers inconvénients.
Conformément à la présente invention, on utilise pour constituer l'électrode une pâte qui est constituée de graphite et d'une huile jouent un rôle de liant et de lubrifient. On a constaté que pour une teneur minima en huile, la pâte n'est pas conductrice de l'électricité et offre peu de résistance au dé- placement dans les tubes de guidage des électrodes. Dans la région voisine de la veine, la température élevée qui règne provoque le durcissement de la pâte, la masse devient progres- sivement solide et conductrice de l'électricité. Le prélèvement du courant engendré peut être réalisé simplement de toute façon appropriée par le gaine métallique, ou par une canne convena- blement disposée dans l'électrode.
Selon une caractéristique de la présente invention, la pte contient au moins 30% d'huile et de préférence entre 40 et 50 %. On a constaté en effet que la conductivité élec- trique de le pâte, en fonction de la teneur en huile, chute brusquement aux environs des susdites valeurs. On a constaté
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également que pour des teneurs du même ordre en huile, on avait un fléchissement brusque des efforts nécessaires pour le dépla- cement de la pâte dans les canalisations d'alimentation des électrodes et dans les gaines des électrodes.
L'utilisation d'électrodes en graphite procure les avantages que l'on obtient déjà par l'utilisation des électro- des combustibles comme les électrodes en charbon, à savoir la combustion du graphite dans la tuyère magnétohydrodynamique procure des calories supplémentaires qui réchauffent la veine gazeuse en particulier au voisinage des parois où sont situées les électrodes, ce qui est important, étant donné les couchée limites moins chaudes sur les parois de tels générateurs.
Le graphite utilisé pour constituer la pâte est d'un prix supérieur à celui du carbone, mais il est exempt des im- puretés que contient le carbone et qui comme exposé ci-dessus détruisent rapidement les parois réfractaires du générateur.
Cependant on a constaté que le graphite réagissait aussi sur le réfractaire et l'attaque toutefois beaucoup moins rapidement que dans le cas du carbone. D'où, conformément à la présente in- vention, des moyens sont prévus pour limiter la position du graphite dans la chambre magnétohydrodynamique de façon qu'il ne puisse pas attaquer les parois réfractaires Je la chambre.
Conformément à la présente invention on utilise donc un dispositif d'asservissement qui règle la position de l'élec- trode en graphite dans le générateur. Cette position revêt une Importance particulière perce que si elle pénètre trop dans le généroteur, il y ausure du réfractire comme expliqué ci-dessus, alors que si elle ne pénètre pas assez dans le générateur il y a un contact insuffisant entre le graphite et le plasma, ce qui constitue une résistance qui abaisse considérablement le ren- dement de l'appareil. D'autre part il est nécessaire4ue
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It.r4lt de l'électrode soit rasez chaude, par exemple entre 1500 et 2000' C, on dessous de quoi il y r beaucoup de perte.
Or si l'électrode out trop éloignée de le chambre MPn4. : tohydrodynamique elle m refroidit et tombe & des températures insuffisantes pour un bon rendement.
L'oxygène nécessaire à la combustion de l'électrode, en vue d'accroître la température de son extrémité, peut être
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disponible Lan3 le courant gazeux, du fait de lr décomposition partielle des gz brûles, le gaz carbonique ètent dissocia en oxygène et oxyde de carbone. Toutefois dans certains cas il peut être Pvantaroux de prévoir de l'oxygène dans le courant gazeux si l'on désire accroître le dégagement calorifique.
Il est également possible de prévoir des jets d'oxygène autour de l'électrode, de façon à assurer au voisi- nege de celle-ci la présence d'une couche très chaude et très dure.
La présente invention s'applique particulièrement aux généreteurs comportant un certain nombre d'électrodes comme par exemple les générateurs à électrodes segmentées et les géné- rateurs à effet Hall. En effet, on envisage communément de 20 à 50 paires d'électrodes par mètre de tuyère de conversion dans de tels générateurs. Comme il est en soi connu, les électrodes sont disposées dans la veine en alignement suivant le sens d'écoulement du gaz de façon à assurer une zone très chaude tout le long du passage d'un filet de gaz qui suit une série d'électrodes alignées.
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Conformément à une utre caractéristique de la présen- te invention les parois des électrodes sont refroidies. Ceci permet devoir une solidification moins poussée de la partie extérieure de l'électrode ce qui facilite le déplacement de celle-ci dans la Saine. Par contre la partie centrale de l'élec-
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trode peut être très chaude, ot très dure et être portée h la
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température voulue pour le fonctionnement.
Les électrodes colon la présente invention, c'est-à-drie dire les gaines qui canalisent le routière piteuse, peuvent avoir simplement une section ronde, mais peuvent aussi avoir une sec- tion différente comme par exemple rectangulaire avec les angles arrondie de façon à pouvoir juxtaposer un plus grnd nombre d'électrodes dans un volume déterminé.
Le cheminement de la matière pâteuse dans les gaines peut être assuré de diverses façons connues. Elle peut être en particulier assurée au moyen de pistons et de clapets disposés de façon appropriée. Elle peut aussi être acheminée de manière continue, par exemple au moyen d'une vis d'Archimède comme dans les boudineuses utilisées dans l'industrie des matières plasti- ques. On peut aussi utiliser des vis d'Archimède de diamètre décroissant pour avoir une égalisation longitudinale de la pres- sion de la pâ5ew,
Du fait que la p e est isolante, il est possible de prévoir une distribution centrale pour les diverses électrodes avec une installation de compression centrale. Les gaines, dans le cas où elles sont métalliques, présentent alors des joints isolants appropriés.
Mais les électrodes peuvent aussi être reliées chacune à un réservoir de matière distincte.
Conformément à une autre caractéristique de la présen- te invention, la propagation de la matière dans plusieurs tubes ou gaines est assurée par un organe commun,isolé électriquement de la matière et des différents tubes.
Conformément à encore une autre caractéristique de le présente invention le dispositif d'asservissement détecte la position de l'électrode dans la chambre par une mesure de la résistance de l'électrode elle-même entre deux pointe pris dans
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une région pu voisinage de la chambre de réaction. En effet. eu fur et à mesure que la pâte se solidifie sous l'effet de le chaleur, sa conductivité change pour passer d'une valeur pra- tiquement nulle à celle de l'électrode solide qui est conduc- trice de l'électricité. On peut utiliser pour faire cette mesure une sonde immergée dans la messe de l'électrode, dans la région où la pâte est on voie de durcissement.
Selon un autre mode de réalisation de la présente invention, la position de l'électrode dans la veine gazeuse est repérée par la mesure de la résistance de contact de l'électrode avec le plasma. Cette mesure pouvant avantageusement être obts- nue par comparaison de cette résistance avec la insistance mesurée entre deux électrodes fixes plongeant dons la veine.
Conformément à une cutre caractéristique de la présente invention, on utilise pour régler le débit de pâte. dans loup @ geines un organe de serrage constituant un étranglement, angor @ vi aux indications fournies par un des dispositifs précités. ) Avantageusement un tel orge ne d'étranglement peut être consti.- tué par un anneau, eu moins en partie en caoutchouc, qui se resserre et étrangle la veine sous l'effet d'une pression varia- ble. Cet anneau en caoutchouc offre en plus l'avantage de cons- tituer un joint isolant dons la gaine pour séparer ou découpler électriquement les différentes électrodes les unes des autres.
D'autres caractéristiques de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre.
Sur les dessins ci-joints :
La figure 1 représente schémetiquement en coupe per- pendiculaire la direction des filets de la veine gazeuse un générateur selon la présente invention :
La figure 2 représente vue de face une pièce consti. tutive du générateur de la figure 1 ;
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Le figure 3 montre une disposition possible de plu- sieurs électrodes d'un générateur selon l'invention;
La figure 4 montre une autre disposition des électro- des
La figure 5 montre schématiquement en coupe le prin- cipe de fonctionnement d'une crnne de mesure de la résistance de le pâte de l'électrode en vue de détecter la position de l'électrode dans le générateur pour l'asservissement du mouve- ment de la pâte dans la gaine :
La figure 6 montre une variante d'une canne de détac- tion do la position de l'électrode !
Ln figure 7 montre une courbe de la température de l'électrode on fonction de le position de celle-ci par rapport à la chpmbre du générateur ;
La figure 8 montre une autre variante d'une canne de détection de la position de l'électrode !
La figure 9 montre schématiquement en coupe axiale dans une gaine d'électrode un dispositif de contrôle de l'avance de la pâte ;
Les figures 10, 11 et 12 représentent différents schémas d'alimentaiton des électrodes en pâte de graphite.
Dons le forme de réalisation de la figure 1, l'instal- lation comporte une paire d'électrodes débouchant dans une en- ceinte 1. Choque électrode est constituée par un tube 2, 2' et est remplie de pâte conductrice 3 (3') provenant d'un réservoir 4. La pâte est poussée dans le tube par un piston 5. Un jeu de clapets 6 et 7 assure le fonctionnement de ce dispositif d'in- jection suivant un cycle tel que celui des pompes aspirantes et foulantes.
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On r représente on 9 une sonde qui peut servir de priée de courant et/ou d'organes sensibles pour le fonctionne'-
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ment de l'na'orvl8Qrnont dont il aen rr16 c1.pr., Cotte sonde 0 peut être fixée de toute rpqon Pprropri4e, pnr exemple à une grille 10 comme celle qui est représentée en plan sur la figure @.
Le refroidissement de la paroi externe de l'électrode
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est rasuré prr un serpentin 12 pprcouru pnr exemple pnr de l'eu. Ceci r pour effet de conserver drne la goine de l*4iec*' trode une m uche limite visqueuse représentée on pointillé on 3 13*. la figure 3 qui Montre une coupe par le plan 111.3 de la figure 1 représente une disposition et une forme plsiti- ble pour les électrode:
) 15, 16. 17. Les électrodes Dont senci-
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blement dpns un môme plrn parallèle l l'9M do le veine, <'vee leurs extrémités aliénées, de façon h favoriser la création d'une zone chrude dons les parties contrlcsdo3 électrodes, pour avoir un bon rendement pour le générateur.
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fleure 4 nontre une disposition analogue m1a dans laquelle les 41eatrudoo 25. 26. 27 ont unu section consi- blemetn rectangulaire, les angles étant arrondie pour favoriser le déplacement do la messe visqueuse $*. l'intérieur des saines.
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Lu figure 5 représente titre dacamplo le Ich6mn d'une structure possible de canne sondeuse pour permettre l'au- lerv1asemont. La canne 9 comporte des contacte électriques pé- riphériques 31, 32, 33. reliés pr des conducteurs 31ft 32nt 33n w un ppporeil approprie, de type quelconque connu, commun- dant l'asservissement en fonction prr exemple des résistances électriques mesurées.
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La figure 6 représente 8chémt1quomont un autre mode d'observation de la position do l'électrode au moyen de deux
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ecnnes 35 et 36. Dans ce mode do rèrliaation, les connes ne Mesurent que la température du graphita. Le graphique de la figure 7 représente la température mesurée par la conne, en fonction do la position de la ±-ce frontale de l'électrode
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dêns la gaine xu voisinvec de lr prroi interne du répéteur mngn6tohydrodynm1qua.
On représenté on A le point correspondant à la position optima de l'électrode dans la gaine au voisinage de la veine magnétohydrodynamique. L'axe horizontal représente
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la position de le face frontale de le masse de graphite dena lr grine ai l'électrode déphasé itextrémité de la gaine et pénètre à l'intérieur de le veine, le point représentatif se rapproche de l'origine sur l'axe horizontal.
On constate que quand l'électrode pénètre dans la veine elle s'échauffe rapi-
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demont Jusque une vrlour mnximf représentée par le pplîer B que la courbe prûsanto au voisinage de lfrxc dos températures* Plus lt. face frontale do l'électrodo eat située en retrait dans lr gaine, plus la température enregistrée par la canne 35 décroît, puisque le face frontale de l'électrode est plus éli-
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gn60 de le zone chaude. Knio, au dolh d'une certaine position, le température enregistrée remonte rp1domont. h prt1r du point C prr exemple, car il n'y a plus de couche de graphite pour protéger la canne qui est dors exposée directement au rayonne-
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ment provenant de la veine.
On rlnce le fonctionnement de l'es- servilaiment autour du point A en utilisant lf pente de la cour- be, pour éliminer la position D incorrecte.
On a représenté on 36 sur la figure 6 un deuxième thermocouple, légèrement en arrière du thermocouple 35 pour corriger les informations du premier thermocouple en fonction du changement de régime dans la combustion. Quand la vitesse du plasma ou sa température décroît dans le veine, la quantité de chaleur reçue par l'électrode décroît très vite. Or la
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position de l'électrode, définie par la température enregistrée apr la canne 35, doit être définie indépendamment de la tempéra- ture du plosma et de l'intensité do la circulation dans la veine,
Ces influences pouvant être corrigées par les indications four- nies par la canne 36. Les deux cannes peuvent par exemple être montres sur un pont de Whecsone.
La figure 8 représente un autre modo de détection de la position de l'électrode en vue de la commande de l'asservis- sement. Dans ce mode de réalisation,on mesure la résistance de contact de l'électrode avec le plasma et on compare cette réels* tance à une tension prise entre deux électrodes plongeant dans le courant gazeux. A cet effet on mesure la résistance entre l'électrode constituée par le pâte 3, par l'intermédiaire de la canne de mesure 9, et une électrode 41 montée dans la parai de la veine magnétohydrodynamique, plongeant dans le courant gazeux, c'est-à-dire s'étendant au-delà de la couche limite représentée par la ligne interrompue 42.
D'autre part, on mesure la résistance entre l'électrode 41 et une électrode analogue 43. Pour ce faire, on applique une tension entre la canne 9 et l'électrode 41 au moyen d'un transformateur 45. alimenté par une tension alternative appliquée entre les bornes 46, 47. De même, au moyen d'un autre transformateur 48, on applique une tension alternative entre les électrodes 41 et 43.
On dispose sur le circuit de l'électrode de graphite un trans- formateur d'intensité 49 et sur le circuit reliant les deux électrodes 41 et 43 un autre transformateur d'intensité 50.
On prévoit en outre sur les deux circuits précités des facteurs d'atténuation appropriés pour que les deux tensions recueillies dans les transformateurs 49 et 50 soient en opposition pour un fonctionnement correct du générateur magnétohydrodynamique. On dispose entre les bornes 51 et 52 un appareil sensible, tel qu'un amplificateur altemetifà bande étroite, sensible à le
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phase pour commander l'asservissement.
La figure 9 représente, à titre d'exemple, un mode de réalisation pratique d'un dispositif d'exécution de l;'aser- vissement conformément à la présente invention. Le dispositif représenté sert la fois d'étranglement pour limiter le passage de le pète de graphite et de joint élkecrque d'isolement pour séparer la partie de la gaine située au voisinage de l'électrode proprement dite du reste du circuit de circulation de la pâte de graphite. Cet isolement est intéressant tout particulièrement dans le cas des électrodes multiples qui doivent être bien en- tendu isolées les unes des autres.
Sur la figure, la gaine est constituée de deux tron- çons 55 et 56 par exemple en tube métallique, séparés par une rondelle 57, de préférence en matériau isolant comme par exem- ple du polytétrafluoréthylène. Un profilé annulaire en matière souple, par exemple en caoutchouc, est constitué d'un fond 59 et de deux ailes 60 et 61. Les ailes 60 et 61 sont serrées de toute manière appropriée entre la rondelle 57 et les éléments 55 et 56 de façon à assurer l'étanchéité.
Une conduite 62 permet d'envoyer de l'air sous pres- sion à l'intérieur du profilé de caoutchouc, entre le profilé et la rondelle 57, ce qui permet selon la pression, de gonfler plus ou moins le profilé en caoutchouc pour étrangler le passa- ge et limiter ainsi le débit de la pâte de graphite, les dimen- sions des éléments et la pression de l'air comprimé étant bien entendu réglées d'après la pression de la pâte en amont du joint ,
Un tel dispositif pneumatique est simple à réaliser et peu encombrant, ce qui est important dans un générateur magnétohydrodynamique où le volume disponible pour les accessoi- res est extrêmement réduit. Ce dispositif résoud simultanément les doux problèmes :régulation et découplage électrique des
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électrodes.
Il permet donc une distribution centralisée pour la pâte de graphite, lrdite distribution centralisée étant rejetée hors do l'entrafer, à une certaine distança de l'appa- roll, ce qui diminue l'encombrement au voisinage de celui-ci.
Les figures 10, 11, 12 représentent, à titre d'exem- ple, trois nonteges possibles des circuits de distribution.
Les éléments communs vu% trois dispositifs sont représentés sur les trois figures avec les mêmes référcnes, à savor le générateur 70, les électrodes 71, la pompe 72 et les vannes d'asservissement 73. Sur lr figure 10 les électrodes sont alimentées en simple ligne à partir de la pompe. Ce dispositif présente l'inconvénient que les pressions en somt do chaque électrode sont différentes et que les dispositifs d'asservisse- mont doivent âtre règles indépendamment pour chaque électrode.
Le dispositif de la figure 11 comporta une alimente- tion individuelle pour chrquo électrode. Il permet donc de dis- poser do la même pression ?, chaque électrode, en choisissant des cajlisatosn de transport de pto de graphite de longueurs identiques.
Enfin la figure 12 représente une alimentation des électrodes on double ligne. Avec cotte disposition, si la con- sommation de graphite dans les électrodes diminue, le graphite non utilisé repart dans la conduite de retour pour aller vers le réservoir d'alimentation de la pompe. Celle-ci peut donc marcher a régime pratiquement constant sans être influencée par les varaicosn de consommation de graphite, ce qui simpli- fie l'installation.
Il est encore possible d'effectuer l'asservissement en agissant directement sur la pompe, sans étrangler le débit des caliseoii. Celles-ci ne comportent alors que des joints isolants, pour le découplage électrique, n'ayant pas de fonction
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do réglage de débit. Toutefois chaque canalisation peut encore comporter un organe de raclage fixe pour compenser les dit!'. ronces de longueur dos conduites d'alimentRtion.
Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation plus spécialement décrits et repré- sentes, qui n'ont été donnas qu'à titre d'exemple.