EP0251891A1 - Dispositif de chauffage électrique comportant une gaine métallique - Google Patents

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EP0251891A1
EP0251891A1 EP87401436A EP87401436A EP0251891A1 EP 0251891 A1 EP0251891 A1 EP 0251891A1 EP 87401436 A EP87401436 A EP 87401436A EP 87401436 A EP87401436 A EP 87401436A EP 0251891 A1 EP0251891 A1 EP 0251891A1
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heating element
medium
undulations
refractory
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/50—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material heating conductor arranged in metal tubes, the radiating surface having heat-conducting fins
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    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
    • H05B3/64—Heating elements specially adapted for furnaces using ribbon, rod, or wire heater

Definitions

  • the invention relates to resistance electrical heating devices of the type comprising an elongated, substantially cylindrical, graphite heating element, surrounded by a sheath of refractory material delimiting around the heating element a sealed chamber for retaining the carbon monoxide formed during the first temperature rise.
  • Electric heating devices of the type defined above are already known.
  • the applicant describes a device comprising a graphite heating element protected against oxidation by an atmosphere containing carbon monoxide formed from the heating element during the first implementation of the device and surrounded by a tubular sheath of refractory ceramic resistant to corrosion. This solution solves many problems.
  • the invention aims to provide an electric heating device which better meets those previously known to the requirements of practice, in particular in that it makes it possible to obtain a form of sheath which is particularly suitable for the diffusion of radiant heat coming from the heating element in graphite, which was impossible with ceramic sheaths whose shape was limited to the cylinder of revolution or the oval. Very high dissipated surface powers can thus be achieved without limiting the size of the medium heated by such a device. The cost price of such a device is also lower, and the resistance to thermal shock is greatly improved.
  • the invention proposes in particular an electric heating device of the type defined above, characterized in that the sheath is made of a sheet of refractory metal alloy resistant to corrosion of the medium or covered with an external metallic layer of protection of substantially constant thickness and in that said sheath has regular undulations arranged such that the internal surface of the sheath directly sees the heating element and that the surface for exchange of the device with the medium is increased.
  • An advantageous embodiment of the device has a sheath whose surface is described by a generator substantially parallel to the longitudinal axis of the device.
  • Another advantageous device has a sheath whose surface is generated by a generator describing a propeller having as axis the longitudinal axis of the device.
  • the ratio between the developed circumference of the sheath and the circumference of the circle passing through the vertices of the undulations closest to the axis of the device is between 1.5 and 5.
  • the invention also provides a device for which the refractory metal alloy is a stainless steel covered with a deposit of chromium aluminum.
  • the external protective layer is a thin film of alumina.
  • the protection deposited can be applied by bath, by plasma torch or by any suitable means.
  • the outer protective layer may contain a catalyst for a reaction taking place in the medium in which the heater is placed.
  • Another embodiment uses an iron-chromium-aluminum alloy as a refractory alloy for the metal sheath of the electric heating device.
  • this device can be used in any fluid heating process. However, it is more particularly advantageous when it is used in reactors or fluidized bed ovens. Indeed, with the electrical devices described by the invention, and this without limitation of the size of the reactor which can therefore have installed powers of several tens of MW, it is possible to supply 500 kw per m3 of dense phase in a medium fluidized at 900 ° C, or more if the temperature of the medium is lower. Powdered products with a particle diameter greater than about 60 ⁇ m are mostly fluidizable, although other criteria may limit the possible uses of the process.
  • the device described above is used in a fluidized bed decarbonation reactor.
  • FIG. 1 represents an electric heating device according to the invention. It consists of an elongated heating element 1 of graphite of generally cylindrical general shape. More precisely, it has a double helical shape in the heating part, and is provided with two solid parts 2 at one of its ends so as to be able to connect the electrical connections thereto. One full part is reserved for current input and the other for output. This double helix can lengthen the electrical path, therefore increasing resistance.
  • resistance can be adapted to the needs or to the constraints imposed, such as, for example, the overall dimensions or the maximum tension. eligible.
  • This graphite element is surrounded by a sheath 3 delimiting around the heating element 1 a sealed chamber 4 for retaining the carbon monoxide formed.
  • the sheath is made of refractory metal alloy sheet resistant to corrosion of the medium in which it is placed and can be covered with an outer protective layer 5 of substantially constant thickness. It has regular undulations as appearing in FIGS. 2 and 3. These undulations are arranged in such a way that the internal surface 6 of the sheath "sees" directly the heating element 1 and that the exchange surface 7 of the device with the medium is large.
  • the ratio between the developed circumference of the sheath and the circumference of the circle (shown in phantom in Figure 2) passing through the top of the undulations closest to the axis of the device is between 1.5 and 5. In the embodiment shown in the figures, it is of the order of 4.
  • the plate 10 allows the support of the heating element, the obturation of the device and the electrical insulation between the terminals. By closing the device tightly, the plate 10 allows the retention of the carbon monoxide formed in the retention chamber 4.
  • a part 13 which must also hold at high temperatures and be insulating electric supports the graphite heating element and keeps it radially.
  • a centering support 14 into which the part 13 fits together is immobilized in rotation and supported by the bottom of the envelope 3.
  • the bars 8 are placed in spacer tubes 15, making it possible to put the tubes 8 in place, and to distribute the tightening force on the graphite heating element 1 and the plate 10.
  • Support washers 18 provided with seals also have a role of distributing the clamping force on the plate 10 and a role of sealing.
  • These support washers which must retain their properties up to temperatures of the order of 250 ° C. are advantageously made of expanded graphite or an asbestos compound.
  • a seal 19 ensures the seal between the tube and the plate. It is of the metalloplastic or expanded graphite type to maintain its properties up to temperatures of the order of 400 ° C.
  • the fixing of the plate 10 on the sheath 3 is done by means of screws 20.
  • a valve 21 connected to the chamber 4 makes it possible to maintain a pressure close to atmospheric pressure during the operation of the device.
  • the joints 18 in expanded graphite remain subject to an acceptable temperature, the length of the rod 8 being chosen so that this temperature remains of the order of 250 ° C.
  • the gas contained in the chamber 4 contracts but the air cannot penetrate.
  • the sheath is found in depression but its mechanical resistance when cold is always sufficient to withstand the external atmospheric pressure.
  • a heating device of the type described above can advantageously be used in a fluidized bed reactor for a decarbonation process.
  • the sheath 3 could be made of an iron-chrome-aluminum alloy of the LANTHAL AF type or of refractory steel protected by a chrome-alumina deposit.
  • the invention is in no way limited to the embodiments which have been described. She covers all variants and in particular: - the case where the regular undulations do not have the rounded shape, more particularly described, but have sides having acute angles, as in FIG. 4. - the case where these regular undulations are separated by portions having no undulation, - those in which studs or fins are added to the corrugated sheath allowing the heat exchange with the ambient environment to be further increased, - those where the device is intended to be used in fluidized bed reactors in the context of a process other than that of decarbonation, - those where the devices according to the invention are intended to be used to carry out drying operations, incineration of sludge and residues, heat treatments. - Those where the sheaths of devices according to the invention are obtained by folding sheet metal, and then closed on themselves by welding.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

Dispositif de chauffage électrique d'un milieu comprenant un élément chauffant (1) allongé en graphite sensible cylindrique entouré par une gaine (3) en matériau réfractaire délimitant autour de l'élément chauffant une chambre étanche (4) de rétention du monoxyde de carbone formé. La gaine (3) est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu ou recouverte d'une couche (5) métallique externe de protection d'épaisseur sensiblement constante. Elle présente des ondulations régulières agencées de telle sorte que la surface interne de la gaine voit directement l'élément chauffant (1).

Description

  • L'invention concerne les dispositifs de chauf­fage électrique par résistance du type comprenant un élément chauffant allongé en graphite, sensiblement cylindrique, entouré par une gaine en matériau réfrac­taire délimitant autour de l'élément chauffant une chambre étanche de rétention du monoxyde de carbone formé lors de la première montée en température.
  • Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans le domaine des dispositifs de chauffage électrique permettant d'attein­dre dans les fours où règne une atmosphère corrosive ou oxydante des températures aussi élevées que celles que permet d'atteindre l'emploi de combustible fossile.
  • On connaît déjà des dispositifs de chauffage électrique du type ci-dessus défini. En particulier dans la demande de brevet français FR-A-84 02 358, le demandeur décrit un dispositif comportant un élément chauffant en graphite protégé contre l'oxydation par une atmosphère contenant du monoxyde de carbone formé à partir de l'élément chauffant lors de la première mise en oeuvre du dispositif et entouré par une gaine tubulaire en céramique réfractaire résistant à la corrosion. Cette solution permet de résoudre de nombreux problèmes.
  • Cependant, l'utilisation d'une gaine en cérami­que dont la conductibilité thermique est faible limite la puissance surfacique dissipable.
  • L'invention vise à fournir un dispositif de chauffage électrique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet d'obtenir une forme de gaine particulièrement propice à la diffusion de la chaleur rayonnante venant de l'élément chauffant en graphite, ce qui était impossible avec les gaines céramique dont la forme était limitée au cylindre de révolution ou à l'ovale. Des puissances surfaciques dissipées très importantes peuvent être ainsi atteintes et ce sans limitation de la taille du milieu chauffé par un tel dispositif. Le coût de revient d'un tel dispo­sitif est par ailleurs plus faible, et la résistance aux chocs thermiques est grandement améliorée.
  • Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de chauffage électrique du type ci-dessus défini, caractérisé en ce que la gaine est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu ou recouverte d'une couche métallique externe de protection d'épaisseur sensible­ment constante et en ce que ladite gaine présente des ondulations régulières agencées de telle sorte que la surface interne de la gaine voit directement l'élément chauffant et que la surface d'échange du dispositif avec le milieu soit augmentée.
  • Un mode de réalisation avantageux du dispositif présente une gaine dont la surface est décrite par une génératrice sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du dispositif.
  • Un autre dispositif avantageux présente une gaine dont la surface est engendrée par une génératrice décrivant une hélice ayant pour axe l'axe longitudinal du dispositif.
  • Dans un mode avantageux de réalisation, le rapport entre la circonférence développée de la gaine et la circonférence du cercle passant par les sommets des ondulations les plus rapprochées de l'axe du dispositif est compris entre 1,5 et 5.
  • L'invention propose également un dispositif pour lequel l'alliage métallique réfractaire est un acier inoxydable recouvert d'un dépôt de chrome aluminium.
  • Dans un autre mode avantageux de réalisation, la couche externe de protection est une fine pellicule d'alumine. La protection déposée peut l'être par bain, par torche au plasma ou par tout moyen adéquat.
  • La couche externe de protection peut contenir un catalyseur pour une réaction ayant lieu dans le milieu dans lequel le dispositif de chauffage est placé.
  • Un autre mode de réalisation utilise un alliage fer-chrome-aluminium comme alliage réfractaire pour la gaine métallique du dispositif de chauffage électrique.
  • Da façon générale, ce dispositif est utilisable dans tout procédé de chauffage de fluide. Mais il est plus particulièrement intéressant lorsqu'il est utilisé dans des réacteurs ou fours à lit fluidisé. En effet, avec les dispositifs électriques décrits par l'invent­ion, et ce sans limitation de la taille du réacteur qui peut donc avoir des puissances installées de plusieurs dizaines de MW, il est possible de fournir 500 kw par m3 de phase dense dans un milieu fluidisé à 900°C, ou da­vantage si la température du milieu est inférieure. Les produits en poudre dont le diamètre des particules est supérieur à environ 60 µm sont pour la plupart fluidi­sables, bien que d'autres critères peuvent limiter les utilisations possibles du procédé.
  • Ses applications sont néanmoins nombreuses et diversifiées. Parmi celles-ci on peut citer : décarbo­natation, calcination, pyrolyse, élimination de solvant, catalyse chimique, réaction chimique ayant lieu à moins de 900°, etc... Dans un mode avantageux de réalisation, le dispositif ci-dessus décrit est utilisé dans un réac­teur de décarbonatation à lit fluidisé.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif de chauffage selon l'invention qui comporte des parties en coupe,
    • - la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant II-II de la figure 1,
    • - la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant III-III de la figure 1.
    • - la figure 4 est une vue de dessus du dispo­sitif montrant une gaine présentant des ondulations ou plis de formes différentes.
  • La figure 1 représente un dispositif de chauffage électrique selon l'invention. Il est constitué d'un élément chauffant allongé 1 en graphite de forme générale sensiblement cylindrique. De façon plus précise, il présente une forme hélicoïdale double dans la partie chauffante, et est muni de deux parties pleines 2 à une de ses extémités pour pouvoir y raccorder les connexions électriques. Une partie pleine est réservée pour l'entrée du courant et l'autre pour la sortie. Cette double hélice pemet d'allonger le chemin électrique, donc d'augmenter la résistance. De plus, en jouant sur les divers paramètres de l'hélice (pas, longueur et épaisseur de la partie en hélice , diamètre moyen) on peut adapter la résistance aux besoins ou aux contraintes imposées, comme par exemple l'encombrement ou la tension maximale admissible. Cet élément en graphite est entouré par une gaine 3 délimitant autour de l'élément chauffant 1 une chambre étanche 4 de rétention du monoxyde de carbone formé. La gaine est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu dans lequel elle est placée et peut être recouverte d'une couche externe de protection 5 d'épaisseur sensiblement constante. Elle présente des ondulations régulières comme apparaîssant sur les figures 2 et 3. Ces ondulations sont disposées de telle façon que la surface interne 6 de la gaine "voit" directement l'élément chauffant 1 et que la surface d'échange 7 du dispositif avec le milieu soit impor­tante. Le rapport entre la circonférence développée de la gaine et la circonférence du cercle (figurée en traits mixtes sur la figure 2) passant par le sommet des ondulations les plus rapprochées de l'axe du dispositif est compris entre 1,5 et 5. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, il est de l'ordre de 4.
  • Les connexions électriques de l'élément chauf­fant en graphite avec la source de courant sont au nombre de 4 (deux par partie pleine 2). Elles sont cons­tituées chacune par une barre 8 en acier, filetée à ses deux extrémités et permettent de soutenir et de mettre en place l'élément en graphite 1 axialement et radialement et de laisser passer le courant des bornes 9 vers les parties pleines 2 de l'élément chauffant 1. Ces barres 8 jouent également un rôle dans l'isolation thermique de la platine 10 par rapport à l'élément chauffant 1. Le fait de prévoir quatre bornes assure une meilleure rigidité de l'ensemble.
  • La platine 10, pièce composite à base d'amiante, permet le supportage de l'élément chauffant, l'obtura­tion du dispositif et l'isolation électrique entre les bornes. En refermant le dispositif de façon étanche, la plaque 10 permet la rétention du monoxyde de carbone formé dans la chambre de rétention 4. Un tube 11 et trois rondelles 12, le tout devant tenir à des tempéra­tures de l'ordre de 1400°C et être en matériau isolant électrique à cette température, permettent de maintenir les deux parties pleines 2 de l'élément chauffant 1 à la distance nominale et de centrer lesdites parties pleines dans la gaine 3. Une pièce 13 devant également tenir à fortes températures et être isolant électrique soutient l'élément chauffant en graphite et maintient ce dernier radialement. Un support de centrage 14 dans lequel vient s'emboîter la pièce 13 est immobilisé en rotation et supporté par le fond de l'enveloppe 3.
  • Les barres 8 sont placées dans des tubes entretoises 15, permettant de mettre en place les tubes 8, et de répartir l'effort de serrage sur l'élément chauffant en graphite 1 et la platine 10. Des rondelles d'appui 18 munies de joints ont également un rôle de répartition de l'effort de serrage sur la platine 10 et un rôle d'étancheité. Ces rondelles d'appui devant conserver leurs propriétés jusqu'à des températures de l'ordre de 250°C sont avantageusement constituées en graphite expansé ou en composé amiante. Un joint d'étan­cheité 19 assure l'étancheité entre le tube et la platine. Il est du type métalloplastique ou en graphite expansé pour conserver ses propriétés jusqu'à des températures de l'ordre de 400°C. La fixation de la platine 10 sur la gaine 3 se fait par l'intermédiaire de vis 20.
  • Une soupape 21 reliée à la chambre 4 permet d'y maintenir une pression voisine de la pression atmosphé­rique lors du fonctionnement du dispositif. Durant celui-ci, les joints 18 en graphite expansé restent soumis à une température acceptable, la longueur de la tige 8 étant choisie pour que cette température reste de l'ordre de 250°C. Lors du refroidissement, le gaz conte­nu dans la chambre 4 se contracte mais l'air ne peut pas pénétrer. La gaine se retrouve en dépression mais sa résistance mécanique à froid est toujours suffisante pour supporter la pression atmosphérique extérieure.
  • Un dispositif de chauffage du type ci-dessus décrit peut avantageusement être utilisé dans un réac­teur à lit fluidisé pour un procédé de décarbonatation. Dans ce cas la gaine 3 pourrait être réalisée en alliage fer-chrome-aluminium type LANTHAL AF ou en acier réfrac­taire protégé par un dépôt chrome-alumine.
  • L'invention ne se limite nullement aux modes de réalisation qui ont été décrits. Elle en couvre toutes les variantes et notamment :
    - le cas où les ondulations régulières ne présentent pas la forme arrondie, plus particulièrement décrite, mais ont des côtés présentant des angles aigus, comme sur la figure 4.
    - le cas où ces ondulations régulières sont séparées par des portions ne présentant aucune ondulation,
    - celles où sont rajoutés sur la gaine ondulée des plots ou des ailettes permettant d'en augmenter encore l'échange thermique avec le milieu ambiant,
    - celles où le dispositif est destiné à être utilisé dans des réacteurs à lit fluidisé dans le cadre de procédé autre que celui de décarbonatation,
    - celles où les dispositifs selon l'invention sont destinées à être utilisées pour réaliser des opérations de sèchage, d'incinération de boues et résidus, de traitements thermiques.
    - Celles où les gaines de dispositifs selon l'invention sont obtenues par pliage de tôle, et refermées ensuite sur elles-mêmes par soudure.

Claims (9)

1. Dispositif de chauffage électrique d'un milieu comprenant un élément chauffant (1) allongé en graphite sensible cylindrique entourré par une gaine (3) en matériau réfractaire délimitant autour de l'élément chauffant une chambre étanche (4) de rétention du monoxyde de carbone formé, caractérisé en ce que la gaine (3) est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu ou recouverte d'une couche (5) métallique externe de protection d'épaisseur sensiblement constante et en ce que ladite gaine présente des ondulations régulières agencées de telle sorte que la surface interne de la gaine voit directement l'élément chauffant (1) et que la surface d'échange (7) du dispositif avec le milieu soit augmentée.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice de la surface décrite par les ondulations est sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du dispositif.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la génératrice de la surface décrite par les ondulations présentées par la gaine est une hélice ayant pour l'axe longitudinal du dispositif.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre la circonférence développée de la gaine et la circonférence du cercle passant par les sommets des ondulations les plus rapprochés de l'axe du dispositif est compris entre 1,5 et 5.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'alliage métallique réfractaire est un acier inox et en ce qu'il est recouvert d'un dépôt de chrome aluminium.
6. Dispositif selon les revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la couche externe de protection est une fine pellicule d'alumine.
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche externe de protection contient un catalyseur pour une réaction ayant lieu dans le milieu dans lequel le dispositif de chauffage est placé.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'alliage réfractaire est un alliage fer-chrome-aluminium.
9. Application du dispositif selon l'une quel­conque des revendications 1 à 8 à un réacteur de décar­bonatation à lit fluidisé.
EP87401436A 1986-06-26 1987-06-23 Dispositif de chauffage électrique comportant une gaine métallique Expired - Lifetime EP0251891B1 (fr)

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