Electrode destinée à être mise en contact avec un fluide à haute température La présente invention concerne une électrode utili sable toutes les fois qu'il s'agit d'établir une connexion électrique entre un fluide conducteur dont la tempéra ture est supérieure à 1000 K, par exemple contenu dans une enceinte ou s'écoulant dans une tuyère, et un conducteur à température plus faible que le fluide (par exemple à la température ambiante) situé à l'extérieur de cette enceinte ou tuyère.
Ce problème se pose en particulier lors de la réali sation de générateurs d'électricité magnétohydrodyna miques (MDH), dans lesquels des gaz très chauds (2500 à 3000 K), provenant en général d'une com bustion, s'écoulent dans une tuyère, dite tuyère de conversion MHD, suivant une direction perpendicu laire aux lignes de force d'un champ magnétique dans lequel est placée 1a tuyère.
Dans une tuyère MHD les particules électrique ment chargées présentes dans les gaz chauds, en écou lement, et provenant de l'ionisation thermique de ceux- ci (le plus souvent dopés par un ensemencement en éléments à bas potentiel d'ionisation, tels que des éléments alcalins), sont déviées par le champ magné tique et recueillies sur des électrodes ayant une face au contact des gaz chauds et une autre face reliée à un circuit électrique d'utilisation extérieur à la tuyère MHD. Un courant électrique parcourt ainsi de circuit d'utilisation.
Il est donc nécessaire dans un tel cas de disposer d'électrodes pouvant être exposées sur une de leurs faces aux gaz très chauds et éventuellement oxydants, donc très corrosifs (d'autant plus qu'ils contiennent en général des éléments alcalins).
En général ces électrodes doivent par ailleurs être peu conductrices de la chaleur, pour limiter les pertes thermiques, et posséder en outre une conductibilité électrique suffisante.
Malheureusement les matériaux satisfaisant aux deux premières de ces trois conditions (matériaux réfractaires) sont mauvais conducteurs de l'électricité. Il est possible d'augmenter la conductibilité électrique des réfractaires tels que l'oxyde de thorium (thorine) et l'oxyde de zirconium (zircone) en incorporant au réseau cristallin du matériau réfractaire de faibles quantités d'oxydes d'éléments tels que le calcium, le magnésium, l'yttrium, les terres rares, ce qui améliore simultanément leur tenue mécanique aux températures élevées d'utilisation et leur émissivité thermoionique.
Cependant l'augmentation de conductibilité élec trique du matériau réfractaire ainsi réalisée est faible, celle-ci n'atteignant des valeurs satisfaisantes qu'à des températures élevées qui ne se rencontrent dans une électrode en matériau réfractaire qu'au voisinage immédiat de la paroi de cette électrode au contact des gaz chauds.
Une des solutions proposées dans l'art antérieur pour améliorer la conductibilité électrique de la zone d'une électrode réfractaire qui n'est pas assez chaude pour être conductrice (étant trop éloignée de la paroi de l'électrode en contact avec le fluide chaud) consiste à imprégner le matériau réfractaire de carbone qui se dépose dans ses pores.
Une telle imprégnation est longue et délicate à réa liser et l'électrode a une durée de vie limitée par le départ progressif du carbone imprégnant la masse réfractaire.
La liaison électrique entre cette électrode et le cir cuit d'utilisation est alors en général effectuée par l'in termédiaire d'un barreau de graphite connecté à ce cir cuit et pressé contre la face de l'électrode extérieure à la tuyère traversée par les gaz chauds.
Ce contact par pression ne réalise pas une bonne connexion .électrique et limite ainsi le courant de pas sage.
Une autre solution consisterait à réaliser dans la zone considérée de l'électrode un réseau de barres, fils, plaques ou films en métaux réfractaires (platine, iri dium<B>...</B> ).
Cette dernière solution est onéreuse (les métaux employés sont des métaux précieux) et également de réalisation délicate. L'électrode selon la présente invention est de réali sation aisée et de coût très inférieur à celui des élec trodes antérieurement proposées, tout en présentant une conductibilité électrique remarquable.
Selon l'invention, une électrode destinée à être mise en contact avec un fluide dont la température est supérieure à 1000 K et comportant un bloc en maté riau réfractaire dont une partie, située au voisinage de la paroi destinée à venir en contact avec ledit fluide, est rendue conductrice de l'électricité par l'échauffes ment réalisé par le fluide, est caractérisée en ce que ce bloc réfractaire présente au contact de ladite partie rendue conductrices du bloc,
une zone constituée en un matériau de conductivité électrique supérieure à celle de ladite partie rendue conductrice, cette zone s'éten dant parallèlement à ladite paroi de contact de l'élec trode avec le fluide et étant connectée par au moins un conducteur électrique à un circuit extérieur à l'élec trode.
Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, ledit matériau de conductivité électrique supérieure à celle de la partie rendue conductrice du bloc réfractaire est constitué au moins en partie par un métal dont la température de fusion est inférieure à la température du fluide au contact de l'électrode.
Les figures annexées montrent de façon schéma tique des modes de réalisation, donnés à titre d7exem- ples non limitatifs, de l'électrode selon l'invention appliquée à un générateur MHD d'électricité.
La fig. 1 illustre en premier mode de réalisation.
La fig.2 est relative à un mode de réalisation légèrement différent, dans lequel les éléments conduc teurs comportent un noyau en un métal infusible aux températures d'utilisation.
Les fig. 3 à 6, où la fig. 4 est une vue de dessous de l'électrode selon la fig. 3, sont relatives à des exem ples de réalisation de l'électrode selon l'invention n'in troduisant que de faibles pertes thermiques.
Sur la fig. 1, 1 désigne une tuyère de conversion MHD so<U>u</U>mise au champ magnétique représenté par le vecteur H et parcourue par des gaz à température élevée, par exemple voisine de 2500 K.
L'écoulement gazeux que l'on a symbolisé en 2 est perpendiculaire au plan de la figure (la tuyère 1 est représentée en coupe par ce plan).
Il s'agit ici d'établir une liaison électrique entre les gaz chauds et un circuit électrique extérieur à l'élec trode comprenant le conducteur 3 situé à l'extérieur de la tuyère, par l'intermédiaire d'au moins deux élec trodes telles que El et E2 disposées de part et d'autre de la tuyère 1 et dont seule El a .été représentée com plètement, les électrodes étant identiques.
L'électrodes El est constituée par un bloc réfrac taire 4, en zircone par exemple.
On a désigné par 5 la paroi de cette électrode en contact avec l'écoulement gazeux 2.
Le bloc réfractaire 4 est dans cet exemple de réali sation percé de cavités 6, 7 et 8 à partir d'une autre face 9 de l'électrode, extérieure à la tuyère, le fond de ces cavités se trouvant à une distance e de la paroi 5 de l'électrode située au contact des gaz chauds.
Sur la fig. 1 on n'a représenté en coupe que trois cavités 6, 7 et 8 mais il est évident que des cavités peuvent être en nombre quelconque.
Des éléments conducteurs métalliques 10, 11 et 12 (tiges, fils ou feuilles de métal ou alliage métallique) de bonne conductibilité électrique sont introduits dans ces cavités et ont dans ce mode de réalisation une section inférieure à celle des cavités.
La distance e est choisie faible de manière que la conductivité électrique de cette zone de matériau réfractaire soit suffisante au niveau du fond de ces cavités 6, 7, 8 (résistivité de l'ordre de 1 ohm. cm par exemple).
La valeur de e dépend évidemment de la température de la paroi 5 et de la nature du matériau réfractaire. Comme indiqué précédemment, la conductivité élec trique de la zone de matériau réfractaire d'épaisseur e peut être augmentée en incorporant de manière clas sique au matériau réfractaire des additifs appropriés.
Le métal ou alliage métallique constituant les éléments 10, 11 et 12 est à l'état fondu dans les zones 13, 14, 15 situées au fond des cavités respectives de ces éléments et à. l'état solide au-dessus de ces zones.
Comme métal ou alliage métallique constituant les éléments 10, 11 et 12 on choisira de préférence un métal ayant une tension de vapeur aussi faible que possible aux températures des zones 13, 14 et 15 et une bonne conductibilité électrique aux températures d'utilisation.
Il devra être également chimiquement compatible avec le matériau constituant les parois des cavités 6, 7 et 8.
Il est cependant parfois possible d'admettre une certaine attaque chimique du matériau réfractaire par le métal fondu si les produits résultant de cette attaque ont une bonne conductibilité électrique.
On choisira par exemple le nickel, le fer, l'alumi nium, le cuivre, l'argent, l'étain ou leurs alliages pour constituer les éléments conducteurs 10, 11 et 12.
Il sera également possible d'utiliser deux métaux pour constituer l'un la partie à l'état fondu et l'autre la partie solide des éléments métalliques introduits dans les cavités.
L'électrode comprend également une zone 17 de très haute conductibilité électrique adjacente à la zone d'épaisseur e, cette zone 17 s'étendant parallèlement à la paroi 5, ce qui permet de recueillir le maximum de courant.
Dans le mode de réalisation représenté à la fig. 1, cette zone 17 est constituée par imprégnation du maté riau réfractaire poreux au moyen d'un métal tel que le cuivre ayant une excellente conductivité électrique et qui se trouve au moins en partie à l'état fondu dans ses conditions d'utilisation de l'électrode.
Dans ces conditions d'utilisation, le courant élec trique s'écoulant par exemple de la face 5 au conduc teur 3 faisant partie d'un circuit d'utilisation, traver sera les zones successives suivantes: a) la zone de matériau réfractaire d'épaisseur e voi sine de la face 5, ayant une bonne conductivité élec trique par suite de sa température très élevée (comme déjà indiqué, cette conductivité peut-être encore aug mentée en incorporant au matériau réfractaire des additifs classiques, tels que l'oxyde de calcium), b) la zone d'imprégnation métallique 17, sensible,
ment continue et de très haute conductivité s'étendant parallèlement à la face 5 et qui recueille par suite le maximum de courant, le contact entre cette zone et la précédente et par suite la liaison électrique étant excel lents, notamment si le métal imprégnant la zone 17 est à l'état fondu, c) les éléments métalliques conducteurs 10, 11 et 12 qui sont à l'état fondu au fond des cavités 6, 7, 8 ce qui assure un contact électrique parfait avec la zone 17.
Le nombre et la section des éléments conducteurs dépendra de l'intensité du courant électrique devant traverser l'électrode et du flux calorifique que l'on désire évacuer par l'électrode.
On donnera avantageusement au matériau réfrac taire constituant la paroi 5 au contact du fluide à haute température une porosité aussi faible que possible pour éviter les infiltrations de ce fluide corrosif à l'intérieur de l'électrode.
Elle sera éventuellement rendue étanche par un traitement superficiel classique (fusion superficielle par exemple). Un traitement de ce genre pourra être égale ment appliqué aux autres faces de l'électrode pour éviter les fuites de métal fondu ayant diffusé à l'inté rieur du bloc réfractaire.
La fig. 2 illustre un mode de réalisation dans lequel les éléments métalliques 10, 11 et 12 ont sensiblement la même section que celle des cavités 6, 7, 8. Dans ce dernier mode de réalisation il conviendra alors de réa liser les éléments métalliques 10, 11 et 12 en un métal ou alliage métallique de coefficient de dilatation peu différent de celui du matériau réfractaire.
Dans le mode de réalisation illustré, les éléments métalliques conducteurs 10, 11 et 12, qui sont par exemple en cuivre ou en argent et se trouvent à l'état fondu à leur partie inférieure (en 13, 14 et 15) par laquelle s'établit la liaison électrique avec la zone d'imprégnation métallique 17, comportent un noyau 18 en métal infusible dans les conditions d'utilisation et par exemple formé par un conducteur en acier inoxy dable ou en platine.. Ce noyau a pour rôle de maintenir la liaison électrique normalement assurée par les éléments, 10, 11, 12 lorsque celle-ci est rompue par une discontinuité à la surface de séparation entre la partie à l'état solide et la partie à l'état fondu de ces éléments conducteurs.
Les éléments conducteurs 10, 11 et 12 pourront être éventuellement entièrement consti tués en un tel métal infusible aux températures d'utili sation.
Dans l'exemple de réalisation selon la fig. 2, la liaison électrique entre d'une part l'extrêmité à l'état solide des éléments conducteurs 10, 11, 12 et/ou les noyaux 18 et d'autre part le conducteur extérieur 3, est réalisée par l'intermédiaire de la plaque métallique 16, solidaire de ces éléments à leur partie supérieure.
Ainsn qu'il a déjà été signalé, le choix du nombre ou plus précisément de la section globale des éléments conducteurs 10, 11, 12 sera effectué notamment en fonction du flux calorifique devant être évacué par l'intermédiaire de l'électrode.
Lorsque ce flux sera important on pourra utiliser une pluralité d'éléments conducteurs ayant globalement une forte section.
Lorsqu'il s'agira, au contraire, de réduire le plus possible les pertes de chaleur (comme c'est, par exemple, le cas dans un générateur MHD de faible puissance) on pourra être conduit à n'utiliser qu'un seul élément conducteur de section réduite pour relier au circuit extérieur la zone de très haute conductivité électrique voisine de la face 5 de l'électrode.
Les fig. 3 à 6 montrent des exemples de réalisation d'électrodes selon l'invention désignées par E et encas- trées dans la paroi 20 d'une tuyère MHD 1, qui tout en ayant une excellente conductivité électrique n'intro duisent que des pertes thermiques très limitées.
Dans ces divers modes de réalisation, le bloc réfractaire de l'électrode E est traversé par un conduc teur de faible section 19 aboutissant dans une cavité ayant un fond 21 sensiblement parallèle à la paroi 5 de l'électrode, le fond étant situé à faible distance e de cette paroi 5. Le conducteur 19 sera par exemple un fil métallique ou encore une plaque métallique de faible épaisseur, disposé dans une direction perpendiculaire à la paroi 5.
Dans la cavité se trouvent un ou plusieurs éléments métalliques (en argent ou alliage d'argent par exemple) s'étendant parallèlement à la paroi 5, et constituant la zone 17 de haute conductivité électrique proche de la paroi 5. Ces éléments, par exemple en forme de plaque (fig. 3 et 4), sont connectés au conducteur 19 qui est relié au circuit extérieur 3 et établissent la liaison élec trique avec le fond 21 de la cavité, c'est-à-dire avec la zone de faible épaisseur e du bloc réfractaire rendue conductrice par sa température éleveé due à la proxi mité des gaz chauds.
Dans les conditions d'utilisation de Pélectrode (paroi 5 exposée à une température élevée), le métal se trouve à l'état fondu dans la zone 17 et éventuellement sur une certaine hauteur dans le conducteur 19.
Dans l'exemple de réalisation selon la fig.5, la couche métallique fusible (d'étain par exemple) se trouvant dans la zone 17, dont le fond 21 est un plan parallèle à la face chaude 5 de l'électrode, est recou verte d'une couche de graphite 22.
La liaison électrique entre la couche 22 et le circuit extérieur 3 est réalisée dans cet exemple par un conducteur 19 métallique ou par un barreau de gra phite.
La fig. 6 montre un exemple de réalisation d'une électrode selon l'invention dont la paroi 5 est disposée verticalement au contact des gaz chauds circulant dans la tuyère 1 (représentée en coupe par un plan perpen diculaire à son axe longitudinal ou direction d'écoule ment des gaz).
Une cavité dont la paroi 21 est parallèle à la paroi 5 a été creusée à partir de la face horizontale 23 de cette électrode et peut rester ouverte en 24 sur cette face.
Par l'orifice 24 on a introduit un métal à l'état fondu ou pulvérisé ou sous forme d'une ou plusieurs plaques. On peut également introduire une plaque de graphite contre la paroi de la cavité opposée à la paroi 21.
Dans les conditions d'utilisation de l'électrode le métal contenu dans la cavité se trouve à l'état fondu au moins jusqu'à une certaine distance de la paroi 21.
Pour fabriquer une électrode selon l'invention du type de celle représentée à la fig. 3, par exemple, il pourra être intéressant d'utiliser un procédé dans lequel on emploie un moule que l'on remplit de maté riau réfractaire pulvérulent, en disposant une couche 17 de poudre métallique à faible distance e du fond du moule et réalisant une veine de poudre métallique 19 de faible section perpendiculairement à la couche 17 au sein du matériau réfractaire. On comprime ensuite l'électrode et on lui fait subir une cuisson agglomérant les poudres (frittage).
Par suite de la mauvaise conductibilité thermique du matériau réfractaire il se produit, lors de la mise en service de l'électrode et également au moment de l'arrêt de l'installation, un gradient de température élevé au voisinage de la paroi 5 située au contact du fluide à haute température. Ce gradient se traduit par des contraintes thermiques élevées à l'intérieur même du matériau dont est constitué l'électrode, ce qui risque d'entrainer des fissurations internes de celle-ci.
Parmi les moyens permettant d'éviter ces risques de fissures, on utilisera avantageusement une technique d'imprégnation pour constituer la zone 17 de haute conductivité électrique, comme dans les exemples de réalisation illustrés par les fig. 1 et 2.
Ceci aura pour résultat de donner une bonne conductivité thermique à toute la zone de l'électrode proche de la paroi 5 et favorisera par suite une bonne répartition des températures au sein de cette zone.
On pourra également permettre l'accès d'une partie du fluide à haute température dans des cavités telles que 25 (fig. 5), ménagées dans l'électrode, de manière à entourer de-façon pratiquement complète la partie en matériau réfractaire contenant la zone 17 de haute conductivité électrique, par le fluide à haute tempéra ture.