<Desc/Clms Page number 1>
Mémoire descriptif déposé à l'appui de la demande de brevet d'invention pour : "DISPOSITIF POUR LE CHAUFFAGE ELECTRIQUE DU GAZ" formée par : la société dite : à P. O. Box 202 SKF STEEL ENGINEERING AB S-813 00 HOFORS ; Suède Priorités : Suède, no. 83 01 394-6 du 15 mars 1983
Suède, no. 83 03 706-9 du 29 juin 1983 Inventeurs : MM.
Sven Santén, Palne Mogensen, Mats Kaij, Jan Thörnblom
Suède
<Desc/Clms Page number 2>
DISPOSITIF POUR LE CHAUFFAGE ELECTRIQUE DU GAZ L'invention concerne un dispositif pour le chauffage électrique des gaz, en particulier un générateur de plasma constitué d'électrodes cylindriques, dont l'une est fermée à une de ses extrémités et l'autre ouverte aux deux extrémités, ces électrodes étant reliées à une source de courrant afin de produire un arc électrique entre les électrodes, et concerne des dispositifs destinés à fournir du gaz à ce dispositif.
Dans les procédés industriels, les gaz chauds sont utilisés pour transmettre de l'énergie thermique et/ou pour participer à des réactions chimiques. Les volumes de gaz sont souvent extrêmement élevés, entraînement des coûts élevés de manipulation. Souvent il serait possible de réduire considérablement les quantités de gaz si l'on pouvait obtenir une enthalpie ou une densité d'énergie suffisamment élevées dans les gaz.
Un procédé pour augmenter la teneur en énergie d'un gaz consiste à utiliser un échangeur de chaleur. Néanmoins, étant donné que le degré d'efficacité de la transmission d'énergie aux gaz est faible dans les échangeurs de chaleur, cette solution n'est pas très heureuse. Un autre
<Desc/Clms Page number 3>
procédé consiste à utiliser la combustion de carburant fossile par exemple pour le chauffage direct du gaz. Or, si le gaz doit participer à une réaction chimique, la combustion est souvent inadéquate pour le chauffage direct, car le gaz pourrait être pollué et en même temps la composition modifiée. Certains procédés chimiques, en particulier des procédés métallurgiques, exigent des températures extrêmement élevées, à savoir de 1000-3000*C environ, et/ou l'addition de grandes quantités d'énergie, sous un potentiel d'oxygène contrôlé.
Dans ces cas, il est possible également de commander le procédé en faisant varier la quantité de gaz et aussi en faisant varier l'enthalpie du gaz, tout en maintenant le volume gazeux, et avec un potentiel d'oxygène contrôlé.
Dans certains conditions, il est nécessaire de commander avec précision les quantités gazeuses, par exemple lorsque le gaz contient un ou plusieurs des réactifs participant à la réaction chimique.
De nombreux dispositifs ont été mis au point pour satisfaire à toutes ces conditions, et on a constaté que l'utilisation d'un arc électrique pour la génération de plasma est une technique extrêmement efficace.
Ainsi, on connaît déjà par le brevet US 3 301 995, qui comporte deux électrodes cylindriques refroidies à l'eau, distante axialement l'une de l'autre, l'une ayant une extrémité fermée et l'autre, deux extrémités ouvertes, une brise disposée au voisinage de l'électrode ouverte, une chambre refroidie à l'eau avec un diamètre nettement plus grand que celui des électrodes, et plus
<Desc/Clms Page number 4>
grand que la distance entre les électrodes, des moyens situés dans la paroi de la chambre, et un tube avec une buse pour diriger le courant gazeux à chauffer vers la chambre. Des bobines magnétiques peuvent également être disposées autour des électrodes afin de réaliser la rotation de la base des électrodes.
Le brevet US 3705 975 décrit en outre un générateur de plasma, à courant alternatif auto-stabilisant, avec un interstice entre deux électrodes distantes l'une de l'autre axialement, l'interstice étant suffisamment faible pour permettre à l'arc d'être réallumé à chaque demi-période. Dans ce générateur à plasma, l'arc est soufflé dans la chambre d'électrodes et coopère ici avec le gaz devant être chauffé. Une cloison est disposée entre les électrodes et des canaux sont pratiqués dans cette cloison, arrangés de façon à conférer au gaz une vitesse angulaire élevée ainsi qu'une composante de vitesse axiale qui souffle l'arc dans la chambre de réaction.
Le brevet US 3. 360. 988 décrit un générateur à plasma avec des passagers limités, segmentés entre l'anode et la cathode. La chambre à arc peut être caractérisée comme une buse supersonique, ce qui la rend apte au chauffage d'un conduit aérolique, une cathode d'arc en amont de la bure, une anode en aval, construite à partir de segments conducteurs électriques, isolés les uns des autres, formant une configuration circulaire, la buse constituant un passage étroit, allongé, à diamètre uniforme, à travers lequel l'arc doit passer.
Cependant', les types de générateur de plasma décrits ci-dessus présentent certaines limitations et inconvénients.
<Desc/Clms Page number 5>
L'utilisation de deux électrodes séparées par une introduction de gaz signifie que la longueur de l'arc, et ainsi la tension, sont déterminés par le débit gazeux. Avec un courant continu, le débit gazeux doit être augmenté de façon à élever la tension et aussi le rendement, et on réduit ainsi l'enthalpie du gaz sortant.
A une surpression normale, c'est à dire 1-10 bar, la tension est relativement faible, de l'ordre de 00 volts. La seule façon d'augmenter la puissance est donc d'élever l'intensité du courant. Cependant, cela réduit la durée de vie de l'électrode.
Avec des canaux segmentés, c'est-à-dire lorsque des plaques isolantes alternent avec des plaques d'électrode, la tension est limitée, et donc également la puissance puisque l'écoulement de la couche gazeuse froide le long de la paroi est perturbée, et de ce fait, l'arc est interrompu trop tôt. Il existe également un risque, qu'à la place de passer de façon centrale dans le canal, l'arc passe par-dessus les plaques isolantes relativement minces qui se trouvent entre les plaques d'électrodes.
Les générateurs de plasma connus à ce jour sont destinés principalement à être utilisés en laboratoire et ne conviennent pas pour être utilisés dans l'industrie en raison de leur mode de construction complexe. Ceci s'applique en particulier aux types de générateurs de plasma segmentés qui nécessitent un grand nombre de raccordements pour le milieu réfrigérant, l'amenée de gaz, etc.
<Desc/Clms Page number 6>
'Par conséquent, la présente invention a pour but de réaliser un générateur de plasma permettant une capacité de puissance élevée, avec une longue durée de vie de l'électrode, une grande efficacité et une structure simple et faible utilisable à l'échelle industrielle.
A cet effet, l'invention concerne un générateur de plasma du type décrit ci-dessus, caractérisé par au moins une entretoise cylindrique ayant une longueur de 100 à 500 mm, disposée entre les électrodes.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif est constitué par deux éléments d'extrémité, chacun d'eux comprenant l'électrode terminale respective et muni de connexions électriques pour le gaz et pour le réfrigérant, et par des éléments intermédiaires comprenant une entretoise munie des connexions pour le gaz et le réfrigérant, ces connexions étant de préférence réalisées sous la forme de couplages rapides, et muni des moyens pour attacher plusieurs éléments entre eux et à chaque élément d'extrémité. On peut ainsi régler rapidement et convenablement le fonctionnement du dispositif, en enlevant ou ajoutant une entretoise.
En conférant à l'amenée, ou aux amenées de gaz une structure qui force le gaz à effectuer une rotation durant son passage, on obtient une stabilisation de l'arc. Le courant gazeux tournant, combiné avec les parois froides, produit un arc centré, stable, avec une faible interpénétration et donc, une température élevée. Cela provoque certains inconvénients comme une faible chute de tension et des pertes élevées de radiations.
<Desc/Clms Page number 7>
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'appareil est muni d'un diamètre augmentant pas-à-pas, vu dans la direction principale du flux gazeux. Il existe ainsi au moins un diamètre palier et le rapport entre les diamètres avant et après le palier doit être compris entre environ 0,5 et 1, de préférence 0,7 et 0,9.
Le palier augmentant le diamètre entraîne le centre de rotation du gaz à suivre un chemin hélicoïdal, de sorte que le gaz environnant est mélangé à l'arc en le refroidissant. Avec un courant et un débit de gaz constants, il résulte une augmentation de tension de l'arc, avec sensiblement le même rendement ou bien on peut rendre le dispositif plus compact tout en gardant la même puissance.
Selon un autre mode de réalisation, on dispose un électroaimant ou analogue en un point de la trajectoire de l'arc, pour créer un champ magnétique agissant perpendiculairement à l'arc. Cela provoque un déplacement de l'arc sur au moins une faible distance, de la ligne centrale géométrique du passage, en produisant un effet similaire à celui obtenu avec le palier d'augmentation du diamètre.
Pour ces deux modes de réalisation il est nécessaire de prévoir des segments longs, selon l'invention, afin d'obtenir un courant non perturbé et augmenter ainsi la tension de l'arc tout en maintenant un rendement élevé.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée suivante, en référence aux dessins annexés à titre d'exemple :
<Desc/Clms Page number 8>
0- la figure 1 est une vue schématique d'un mode réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en section transversale, d'un orifice d'amenée de gaz, 1 long de la ligne II-II de la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique d'un second mode de réalisation de l'invention avec un palier de diamètre, et - la figure 4 est une vue schématique d'un troi- sième mode de réalisation de l'invention muni d'une bobine magnétique destinée à créer un champ magnétique transversal.
La figure 1 est donc une représentation schématique d'un mode de réalisation selon l'invention pour le chauffage électrique des gaz. L'appareil désigné par 1, comprend deux électrodes cylindriques 2 et 3, la première ayant une extrémité libre, fermée 4 et la seconde ayant une extrémité libre, ouverte 5, et des entretoises 6 et 7 disposées entre les électrodes. Dans ce mode de réalisation, il y a deux entretoises. Cependant, on peut faire varier le nombre ainsi que la longueur des entretoises, comme expliqué cidessous.
Les orifices d'amenée de gaz 8,9 et 10 sont disposés entre chaque électrode et l'entretoise adjacente, et entre les entretoises. De plus, dans ce mode de réalisation, on dispose un orifice d'amenée de gaz 11 au voisinnage de l'extrémité fermée de la première électrode.
Les électrodes ainsi que les entretoises sont refroidies à l'eau comme l'indiquent les raccords d'entrée et de sortie d'eau 12,13, 14,15, 16,
<Desc/Clms Page number 9>
17 et 18,19. Les électrodes ainsi que les écarteurs sont constitués de préférence de cuivre ou d'un alliage de cuivre.
Les électrodes sont reliées à une source de courant, non représentée en détail, pour créer un arc électrique 20 entre les deux électrodes.
Chaque électrode est entourée par une bobine magnétique ou un aimant permanent 21 et 22, respectivement, pour créer un champ magnétique par lequel les bases 23 et 24 de l'arc, respectivement, sont forcées de tourner.
On introduit la plus grande partie du gaz à chauffer entre l'électrode amont 2 et l'entretoise adjacente 6. En disposant cette amenée de gaz de façon à conférer au courant gazeux une composante de vitesse initiale opposée à la direction principale du courant, permet de déplacer les bases de l'arc longitudinalement par
EMI9.1
19 sp "soufflage". On peut séparer une partie de ce courant gazeux principal et l'introduire par l'orifice amenée de gaz 11 au voisinage de l'extrémité fermée de l'électrode. L'orifice 11 présente de préférence une structure permettant au gaz de s'écouler sensiblement suivant la direction d'écoulement principal.
En disposant également un fluidiseur 25 ou un autre contrôleur de débit, en liaison avec les deux amenées de gaz 8, 11, on peut introduire en variante des quantités plus ou moins importantes de gaz par l'amenée de gaz 11 à l'extrémité fermée 4. Ceci réduit en outre l'usure des électrodes, dans la mesure où les bases de l'arc peuvent être déplacées. On peut utiliser aussi cet"effet soufflant"pour faire varier la longueur de l'arc et réaliser ainsi une certaine variation de la puissance de l'arc.
<Desc/Clms Page number 10>
0Le gaz s'écoulant à travers les amenées 8,'9, 10, entre les entretoises et entre l'entretoise en aval et l'électrode ouverte, empêche de se désamorcer trop tôt. Le gaz entrant acquiert ainsi une composante de vitesse axiale. La largeur de l'orifice doit être de préférence de 0,5 à 5 mm.
On obtient ainsi la couche gazeuse tournante des refroidissement, le long des parois intérieures des électrodes et des entretoises cette couche de refroidissement entourant l'arc qui est disposé sensiblement au centre de l'espace cylindrique.
Pour produire cette couche de gaz refroidissant, on injecte du gaz à travers les amenées de gaz, le long de la trajectoire de l'arc.
Lorsque le courant gazeux s'approche de la sortie de l'électrode en aval, l'autre base de l'arc entre en contact avec la paroi de l'électrode. La température moyenne du gaz de sortie peut varier de 200 à 10000*C, suivant la capacité de l'arc et le débit de gaz sortant.
Comme le montre la figure 2, une amenée de gaz peut être obtenue au moyen d'un disque annulaire 31 avec des rainures 32-38 distribuées sur sa périphérie pour former un certain nombre d'ori- fices d'amenée du gaz. La dimension des rainures doit être choisie de façon que l'angle de sortie par rapport au rayon, soit supérieur à 0 , de préférence 35-90 .
La section transversale des rainures doit avoir une conformation permettant une vitesse d'arrivée d'au moins 50m/s.
EMI10.1
0 Il est étonnant de constater que la disposition de quelques arrivées de gaz relativement élignées les unes des autres le long de la trajectoire de
<Desc/Clms Page number 11>
l'arc, puisse empêcher l'arc de se désamorcer trop tôt. Il est également étonnant que ceci puisse être exploité pour empêcher l'arc de choisir une autre trajectoire, par exemple à travers les entrtoises, en"sautant"par dessus les amenées de gaz.
On a trouvé expérimentalement que la perte de chaleur par unité de longueur augmente le long des entretoises, car l'action protectrice de la couche de gaz refroidissante, décroit avec la distance car la rotation du gaz décroit et le chauffage se reproduit donc plus rapidement.
La figure 3 représente un mode de réalisation modifié du dispositif suivant l'invention, les organes semblables ayant les mêmes références que sur la figure 1. Un palier d'augmentation du dia-
EMI11.1
mètre est représenté en 41, dans ce mode de réam e e lisation, dans la première entretoise. On peut prévoir d'autres paliers d'augmentation du diamètre. Le palier 41 proprement dit peut avoir des inclinaisons variées, et dans le mode de réalisation représenté, il a la forme d'un tronc de cône l'angle du cône étant choisi de façon à permettre un écoulement sensiblement uniforme. Le rapport entre les diamètres avant et après le palier est de 0,5 à 1.
Le palier d'augmentation du diamètre va faire décrire au centre de rotation du gaz, un trajet sensiblement hélicoïdal, et de ce fait, l'arc va également croiser le gaz réfrigérant, comme indiqué en 42 sur la figure.
La figure 4 représente un troisième mode de réalisation de l'invention qui diffère de celui de la figure 1, seulement du fait qu'un électroaimant 51 ou analogue est disposé de sorte que le champ magnétique produit, indiqué par les lignes 52, agisse sur une partie de l'arc. En fait, avec
<Desc/Clms Page number 12>
l'aimant représenté sur le dessin, le champ magnétique 52 va agir sur l'arc de sorte que celui-ci va tourner vers l'extérieur, lorsqu'on regarde, et en même temps il subit un mouvement hélicoïdal par l'action du gaz en rotation, comme c'est indiqué en 53.
L'orifice d'amenée du gaz (8) entre l'électrode en amont (2) et l'entretoise adjacente (6), force le gaz à s'écouler initialement dans la direction opposée à la direction principale du flux, provoquant ainsi le déplacement de la base en amont (23) de l'arc (20) contre le flux vers l'extrémité fermée de l'électrode (4).
Un autre orifice d'amenée du gaz (11) est disposé près de l'extrémité fermée (4) de l'électrode en amont (2) t et qu'un fluidiseur (25) est disposé pour le contrôle alternatif de l'arrivée du gaz à travers l'orifice (11) ou l'orifice (8) entre l'électrode en amont (2) et l'entretoise adjacente (6), provoquant ainsi le déplacement de la base supérieure (23) de l'arc (20) en direction longitudinal.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après.
Exemple I Les mesures ont été effectués sur une entretoise de 200 mm de large dans un dispositif selon l'invention. Le refroidisseur à eau a été divisé en quatre unités séparées, chacune refroidissant 50 mm de l'élément en question. L'augmentation de la température dans chacune des quatre segments est de 3, 8 , 3, 90, 4, 2 et 5, 30C, respectivement.
Comme on peut le constater, on a obtenu une augmentation considérable de la température,
<Desc/Clms Page number 13>
compte tenu de ce que l'eau coule après l'entretoise dans un interstice d'environ 0, 1 mm de large. L'eau s'écoule ainsi à travers le segment à une vitesse extrêmement élevée.
EMI13.1
Exemple EmplI Dans les mêmes conditions, que dans l'exemple 1, mais avec un débit de gaz de 20% supérieur, on a obtenu les augmentations de températures suivantes : 3, 8 , 3, 9 , 4, 1" et 4, 80C.
Il ressort clairement de ces expériences que le débit de gaz a une grande influence sur la perte de chaleur aux entretoises et aussi qu'on réalise une augmentation de 10% de la puissance en augmentant le débit gazeux d'environ 20% dans les amenées de gaz disposées le long du dispositif.
Ainsi, selon l'invention on peut réaliser un dispositif pour le chauffage électrique des gaz avec une longueurs déterminée de l'arc et avec des longues entretoises dans la mesure où une couche de gaz isolant peut être obtenue sur toute la longueur du dispositif, ce qui réduit considérablement les pertes de chaleur sur l'électrode et sur les parois de l'entretoise.
En construisant les entretoises sous forme de modules avec des couplages rapides pour le gaz et l'eau, conformément au mode de réalisation préféré, on peut adapter le dispositif à diverses exigences concernant la puissance. Pour mieux illustrer ceci, une explication succinte est donnée ci-dessous sur la manière dont la baisse de tension affecte la longueur de l'appareil.
<Desc/Clms Page number 14>
EMI14.1
1 La chute de tension dans le dispositif dépend d'un certain nombre de facteurs, comme la comcomposition du gaz, la quantité de gaz, l'enthalpie du gaz. Cependant, pour la plupart des applications, elle va demeurer au voisinage de 15-25 volts/cm.
Afin surtout de réduire l'usure des électrodes, l'intensité du courant ne devra pas dépasser 2000 A.
Avec les limitations ci-dessus, on a obtenu des longueurs d'arc de 1 à 1,6 m et 2,5 à 3 m, respectivement pour une puissance totale de 5 et 10 MV, respectivement.
Les électrodes ont généralement une longueur de 200 à 400 mm et en concevant les entretoises avec une longueur appropriée et sous forme d'éléments, on peut faire varier la puissance totale suivant des degrés appropriés.
L'entretoise devra avoir une longueur de 100 à 500 mm, de préférence 200 à 400 mm.
Exemple III On a utilisé deux générateurs de plasma différents dans cette expérience, mais dans des conditions identiques, la seule différence entre les générateurs étant que l'un comportait un palier augmentant le diamètre, avec un rapport D avant/D après de 0,73, tandis que l'autre présentait un diamètre uniforme sur toute la longueur du passage.
Dans une première d'expérience avec un débit de gaz de 500 m3 par heure, et une
<Desc/Clms Page number 15>
0intensité de courant de 1700 ampères, on a obtenu une tension de 1630 volts dans le générateur de plasma sans palier, et de 1820 volts dans le générateur de plasma avec palier.
Dans une seconde série d'expérience avec un débit gazeux de 486 m3 par heure et une intensité de courant de 1500 ampères, on a obtenu une tension de 1680 et de 1850 volts, respectivement.
Exemple IV On a effectué un certain nombre d'expérience avec un générateur de plasma comportant une paire de bobines pour créer un champ magnétique traversant la trajectoire de l'arc, en plus du champ magnétique utilisé pour la rotation des bases de l'arc. Le tableau ci-dessous représente les voltages obtenus pour des intensités de courant diverses à travers la bobine magnétique.
Le débit de gaz à travers le générateur de plasma
EMI15.1
0 3 était de 905 par heure et l'intensité du courant était de 1800 ampères.
Tableau - ------
EMI15.2
<tb>
<tb> rn31 <SEP> U <SEP> amélioration <SEP> de
<tb> bobine <SEP> magnétique <SEP> générateur <SEP> de <SEP> plasma <SEP> la <SEP> capacité
<tb> (A) <SEP> (kV) <SEP> (%)
<tb> 0 <SEP> 2. <SEP> 1 <SEP> - <SEP>
<tb> 100 <SEP> 2.16 <SEP> 0.4
<tb> 200 <SEP> 2. <SEP> 25 <SEP> 1. <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3000 <SEP> 2.32 <SEP> 1.4
<tb>
Les exemples II et IV montrent clairement que tout en conservant la capacité du générateur, celui-ci peut être rendu beaucoup plus compact. Ceci
<Desc/Clms Page number 16>
présente une grande importance pour les applications industrielles. Bien entendu, on peut combiner les modes de réalisation avec palier augmentant le diamètre et champ magnétique.
Le courant consommé dans la bobine magnétique supplémentaire ne constitue qu'une fraction de la puissance totale et peut donc être négligé dans le calcul de la consommation de puissance.
Il faut noter que dans le mode de réalisation avec champ magnétique accroît beaucoup la capacité et l'enthalpie du gaz sortant. Ce phénomène est très étonnant car dans les procédés traditionnels, une augmentation d'enthalpie du gaz signifie que l'on accepte une réduction de la puissance.
Ainsi avec le procédé selon l'invention, on peut construire des générateurs de plasma à puissance élevée, tout en conservant des dimensions raisonnables. Une distribution de température uniforme peut aussi être obtenue tout en conservant une couche froide le long de la paroi. Dans les générateurs de plasma connus, on a obtenu initialement un arc extrêmement chaud et la couche froide le long de la paroi était étendu, mais a disparu très rapidement en raison des pertes de radiation et du débit inégal.
Du point de vue de la construction, l'appareil selon l'invention est simple, avec peu d'éléments et relativement peu de raccords. En conséquence, il est extrêmement fiable en fonctionnement. Mêm si 1 on utilise jusqu'à cinq entretoises, elles sont d'une longueur telle que l'écoulement s'effectue relativement sans perturbation le long de l'appareil.