WO1989004108A1 - Thermoplongeur electrique - Google Patents

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WO1989004108A1
WO1989004108A1 PCT/FR1988/000520 FR8800520W WO8904108A1 WO 1989004108 A1 WO1989004108 A1 WO 1989004108A1 FR 8800520 W FR8800520 W FR 8800520W WO 8904108 A1 WO8904108 A1 WO 8904108A1
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WO
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sheath
heating element
graphite
gas
heating
Prior art date
Application number
PCT/FR1988/000520
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English (en)
Inventor
André Ducourroy
Richard Jaume
Original Assignee
Electricite De France (Service National)
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Publication date
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Publication of WO1989004108A1 publication Critical patent/WO1989004108A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible

Definitions

  • the invention relates to devices for electrically heating a resistance medium, devices also commonly known as immersion heaters, of the type comprising an elongated graphite heating element, substantially cylindrical and having two end portions, surrounded by a sheath of refractory material delimiting around the heating element a sealed chamber for retaining a gas capable of protecting the graphite from oxidation.
  • 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 responds better than 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 conducive to the diffusion of heat.
  • radiant from the graphite heating element which was impossible with ceramic sheaths whose shape was limited to the cylinder of revolution or the oval, in that it eliminates the risk of electric short circuit between the graphite heating element and the sheath, risks caused by the movement and vibrations of the device in its heated medium, in that it comprises means for fixing and centering the graphite heating element inside its sheath which considerably minimize the difficulties of mounting such a device and the problems encountered during its handling, and in that it makes it possible to achieve a long service life of the device thanks to an inert gas supply system. inexpensive, simple to implement and easy to maintain, protecting the graphite element against oxidation.
  • 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 substantially constant protection, - in that said sheath has regular corrugations arranged so that all the points of the internal surface of the sheath directly see the heating element,
  • heating element is provided with two solid blocks constituting a first terminal part of said element and respectively connected to the input and output terminals of the electric current
  • said graphite heating element comprises means for fixing and centering said heating element inside the sheath, said fixing and centering means comprising a insulating crown of refractory material fixed on the second end part of the graphite heating element and engaged in a cylindrical skirt fixed on the internal part of the sheath, so that a centering of the graphite element relative to the sheath at the second end part of said element is produced, and a composite sole for fixing and electrical supply of the graphite heating element removably fixed on the first end part of said element and on which are fixed bars input and output of the electrical supply current, said sole being constituted by two metal portions respectively forming the electrical input and output terminals of said graphite element, said metal portions being electrically isolated from one another and fixed rigidly to each other by means of an insulating ceramic plate.
  • the latter comprises a mounting and handling plate disposed under the second end portion of the heating element, resting on the bottom of the sheath and comprising means connection with a handling rod.
  • the device comprises a system for supplying the sealed chamber with a gas for protection against oxidation of the graphite heating element and extraction of said gas, connected to the sealed chamber by at least one gas inlet passage located on one of the two terminal parts of the sheath and by at least one outlet passage from the gas located on the other end part of the sheath, so that a circulation of the shielding gas can take place in said sealed chamber between the two end parts.
  • the protective gas supply and extraction system includes a gas distribution box.
  • the shielding gas is an inert gas such as argon.
  • the ratio between the developed circumference of the sheath and the circumference of the circle passing through the vertices of the corrugations closest to the axis of the device is between 2.5 and 4.
  • the outer protective layer of the sheath is obtained by a treatment called chromium-aluminization and is between a few microns and a few hundred microns thick.
  • this device can be used in any fluid heating process, but it is particularly advantageous in reactors or fluidized bed furnaces.
  • the device described above is produced and used in a decarbonation reactor with a fluidized bed.
  • FIG. 1 is an elevational view of a heating device partially in section according to the invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view along line II-II of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view along III-III of FIG. 1
  • FIG. 4 is a schematic top view of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a partial section along VV of FIG. 1
  • Figure 6 is a sectional view along VI-VI of Figure 1
  • - Figure 7 is a partial sectional view along VII-VII of Figure 6
  • Figure 8 is a partial front view of the fixing flange in FIG. 7, FIG. 9 and a partial sectional view of the other end part of the heating element and of the device of the invention
  • Figure 10 is a bottom view of Figure 1
  • Figure 11 is a schematic view partially in section of the device according to the invention showing an arrangement for handling the device.
  • FIG. 1 represents an electric heating device according to the invention. It consists of an elongated heating element 1 made of graphite, of generally cylindrical shape. More precisely, it has a double helical shape in the heating part, and is provided with two solid parts or blocks
  • the graphite element 1 is surrounded by a sheath
  • 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 external protective layer 5 (see FIG. 2) of substantially constant thickness, for example 10 ⁇ m. It has regular undulations as it appears more clearly in FIGS. 2 and 3. These undulations are arranged in such that all the points on the internal surface 6 of the sheath directly "see” 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 2.5 and 4. In the embodiment shown in the figures, it is of the order of 3.5.
  • the plate 10 is more precisely represented in FIGS. 4 and 5. It is a composite part based on insulating ceramic parts and different metal parts, for example in the same material as the sheath, allowing the clamping of the plate on the sheath so as to make the chamber 4 waterproof.
  • the plate 10 allows the support of the heating element, the obtu ⁇ ration of the device and the electrical insulation between the terminals. More specifically, it comprises a metal part 11 provided with two passages 11a for the supply and support bars 8. Joints 11b between the upper part 3a of the sheath 3 and the part 11 ensure sealing , knowing that clamping means 11c, comprising for example Belleville rings 11d, compress the part 11 on the sheath 3.
  • the part 11 also comprises a central tube 12 for discharging the inerting gas used to protect the heating element nt in graphite against oxidation.
  • a clamping flange 13 provided with its clamping means 13a with differential compensation system of the Belleville washer type 13b makes it possible to compress the seals 16 with the shoulder ents 14 welded onto the bars 8 and ensuring the tightness of these bars 8 with the outside.
  • Insulating ceramic parts 15a, 15b, 15c, 15d provide electrical insulation of the bars with the rest of the metal parts of the plate.
  • Each part 15d is constituted by two half-cylinders, so as to allow their mounting on the bars 8.
  • Seals 16 for sealing are also provided. They hold at relatively high temperatures and can for example be made of insulating material of the type known as Klingerite.
  • the plate 10 By closing the device tightly, the plate 10 allows the retention of the inert gas in the retention chamber 4. Thanks to the arrangement as described of the plate 10, a good distribution of the clamping forces is achieved.
  • the temperature at the plate may be of the order of 300 ° C.
  • the joints may also be constituted of expanded graphite, an asbestos compound, or clean metal-plastic-like to retain its tightness properties juqu'à order the temperatures of 900 ° C. in figures 6-9 appear report crossci ⁇ cally the means for fixing and centering heating 1'eursment 1 to 1'hin of the sheath 3.
  • the electrical supply bars 8 are fixed by means 20 (see FIG. 7) for screwing onto a composite sole 21 for fixing and supplying electrical power to the graphite heating element.
  • the sole 21 is itself fixed to the first end portion 22 of the graphite element 1 by screws 23, screwed into tapped holes in the solid blocks 2 of the elongated heating element 1. These solid blocks remain relatively cold.
  • the fixing and supply sole consists of two metal portions 24 respectively forming the electrical input and output terminals of the graphite element. These metal portions 24 are electrically insulated and rigidly fixed to each other by means of an insulating plate, for example made of ceramic, 25.
  • the fixing means consist of bolts 26 coming from one side in support on the metal part (via the head for example) and the other support on the insulating material (via the nut), so that no electrical contact exists between the two metal input-output terminals (see Figure 6).
  • the ceramic insulating plate can be made of any other electrically insulating material which is resistant to operating temperatures.
  • the fixing means are obviously stopped, for example by folded strips 27, in accordance with the rules of the art to avoid the loss of bolts or screws inside the device.
  • FIG. 9 shows the lower part of the means for fixing and centering the graphite heating element in its sheath 3.
  • An insulating ring 30 made of ceramic fiber or refractory concrete constituted for example by stacks of discs is force-fitted or mechanically attached to the second end portion 31 of the heating element.
  • This insulating ring engages with sufficient clearance 32, for example 5 mm, in a cylindrical skirt 33 fixed on the internal part of the sheath, inside the tops of the undulations closest to the central axis 35 of The heating element. Centering of the graphite element relative to the sheath, in the lower part of said element, is therefore achieved.
  • connection means 38 for example constituted by a thread formed in a tube 39 welded to the plate 37.
  • Electrical insulation means 40 and 41 rest on the plate 37 and are therefore interposed between the second end portion 31 of the heating element and the handling mounting plate 37.
  • Electrical insulation means 40, 41 per ⁇ essentially eliminate the risk of contact between the graphite element 1 and the bottom of the sheath of the device, which would cause short circuits.
  • FIG. 9 also shows the lower part of the system 50 for supplying the sealed chamber 4 with gas for protection against oxidation of the graphite heating element, for example in inert gas such as argon.
  • This supply system 50 comprises a distribution box 51 secured to the bottom 36 of the sheath, for example by welding and, for each corrugation 52 of the sealed chamber, a passage 53 for supplying the corresponding chute 54 (defined by the concave part of the corrugation directed towards the interior of the sealed chamber) from the box 51, so that the shielding gas completely fills the sealed chamber 4.
  • the distribution box 51 is supplied with inert gas via a conduit 55 secured to the sheath 3 and which goes up to the upper part of the device (see FIG. 4). It is connected to the inert gas supply means 56 (see FIG. 1) for example by a removable pipe fitted with a tight quick connector holding at high temperature.
  • Means of supply 56 in inert gas comprise a device 57 (transmitter, pressure switch, etc.) for measuring and controlling the static pressure present in the pipes and the sealed chamber 4.
  • An injection of additional inert gas is carried out, for example automatically, by a programmable controller 58 in the event of a pressure drop below a chosen nominal operating value.
  • This function can also be fulfilled by a low pressure ano-regulator located near the immersion heater connected to the input 55 and by a valve connected to the output 12.
  • the automaton also advantageously controls the electric power which supplies the heating element via terminals 9 and bars 8 from a power source 59. This source can, of course, supply several devices according to the invention.
  • the sheath 3 also comprises means
  • These means 70 are constituted by guide tubes
  • thermocouples 72 integral with the sheath and in which are respectively placed thermocouples 72 which are connected to temperature measuring means 60 also connected to the automaton.
  • the automaton is advantageously provided with a console or a control desk 61 and can be connected to calculation means 62 and data recording means 63 allowing control and monitoring of the operation of the the whole device.
  • FIG. 9 there is shown a single guide tube for thermocouple, but several tubes may be provided. In general a single guide tube for lowering a thermocouple in the middle of the heating part of the graphite heating element is sufficient.
  • FIG. 9 there is partially shown, under the argon distribution box 51, a centering tube fixed to the box, which allows the positioning and centering of the heating device in the oven, for example in a fluidized bed, where it is used.
  • FIG 11 shows a system for mounting and handling the schematic heating element.
  • a rod 80 Via the discharge tube 12 of the argon, a rod 80 is introduced, provided with a grip ring 81, which is lowered to the lower part of the device.
  • This rod 80 comprises at its end a threaded part which is screwed onto the means 38 for fixing the plate 37, remaining in the sheath during operation.
  • a tightening nut 82 makes it possible to lock the upper rod 80 in the upper part.
  • a traveling crane it can then be handled. taking the device by its ring 81, the plate 37 coming when a pull is exerted on the rod 82, to be applied by means of the insulating discs 40, 41 on the lower part of the crown 30 secured to the graphite element. In this way, the graphite element is not likely to move inside its sheath and good rigidity of the assembly is ensured.
  • a heating device of the type described above can advantageously be used in a fluidized bed reactor for a decarbonation process.
  • the sheath 3 can be made of refractory metal protected by a deposit obtained by chromaluminization or by a coating known by the name of Sermetel J.
  • the so-called chromaluminization process is a thermochemical treatment by diffusion.
  • the parts are immersed in a cement bath composed of about 80% chromium and 20% aluminum, diluted with A O, in a proportion around 50/50.
  • the Sermetel J. treatment is carried out by the company HEURCHR0ME (176, rue d'Estienne d'Orves - 92700 COLOMBES).
  • Aluminum plus silicon pigment deposited cold sprayed. Steaming for fixation of the pigment on the support is then carried out to 360 ° C. a diffusion treatment around 1000 ° C the treated parts completes the process.
  • the operation of the heating device described above is as follows.
  • the device is introduced into its location in the fluidized bed furnace, by means of the mounting system described above.
  • the mounting system is then dismantled by removing the clamping nut 82 and then unscrewing the rod 80, the mounting and handling plate 37 remaining in the sheath during operation.
  • the inlet of the inerting gas for example argon
  • the gas outlet pipe is put in place on the outlet standby 12 and arrangements are made to leave a slight overpressure in the chamber, so as to achieve confinement dynamics of the interior of the sheath.
  • the entire inerting device is controlled by pressure sensors and the automaton 58.
  • the electrical connections are made to the parts 9 of the power bars 8 then the ramp-up is carried out, controlled and controlled by the means described above and known per se.
  • a relatively constant pressure is maintained inside the sealed chamber by controlling the internal pressure of the device by the controller.
  • the pressure in the chamber is continuously measured and inert gas is introduced or extracted from said chamber as a function of pressure drops or pressure increases above predetermined values.
  • the gas is introduced at one end and is extracted at the other end of the sheath of the device 1. This will, for reasons related to its operation, oscillate in temperature so as to maintain the bath in which it is located. a constant temperature. It follows a discontinuous circulation of the inerting gas allowing the renewal of the latter. Indeed, when the gas expands due to an increase in temperature and so that the pressure inside the sheath is kept constant, a certain quantity escapes via the circuit 56 comprising a valve.
  • the chamber finds itself in depression compared to its set value, a quantity of inerting gas is then injected automatically to compensate for the loss of volume due to gas contraction. This operation allows a renewal of the required inerting gas while consuming a negligible amount.

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  • Resistance Heating (AREA)
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Abstract

Il s'agit d'un dispositif de chauffage électrique comprenant un élément chauffant allongé en graphite entouré par une gaine (3) en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion ou recouverte d'une couche de protection métallique présentant des ondulations régulières. L'élément chauffant (1) comporte des moyens de fixation et de centrage comprenant une couronne isolante (30) engagée dans une jupe cylindrique (33) fixée sur la partie interne de la gaine à une des parties terminales dudit élément et une semelle composite de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant constituée par deux portions métalliques isolées électriquement et fixées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une plaque isolante en céramique (25).

Description

Ther oplonαeur électrique
L'invention concerne les dispositifs de chauffage électrique d'un milieu par résistance, dispositifs encore communément appelés thermoplongeurs, du type comprenant un élément chauffant allongé en graphite, sensiblement cylindrique et présentant deux parties terminales, entouré par une gaine en matériau réfrac- taire délimitant autour de 1 ' élément chauffant une chambre étanche de rétention d'un gaz propre à protéger le graphite de l'oxydation.
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 combus¬ tible fossile.
On connait déjà des dispositifs de chauffage électrique du type ci-dessus défini. En particulier, dans la demande de brevet FR-A-84 02 358, le demandeur décrit un dispositif comportant un élément chauffant en graphite protégé contre 1 ' oxydation par une atmosphère contenant du monoxyde de carbone formé a 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 céra- mique, 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 anté¬ rieurement connus aux exigences de la pratique, notam- ment 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, en ce qu'il permet de supprimer les risques de court-circuit électrique entre l'élément chauffant en graphite et la gaine, risques provoqués par le mouvement et les vibrations du dispositif dans son milieu chauffé, en ce que il comporte des moyens de fixation et de centrage de l'élément chauffant en graphite à l'inté- rieur de sa gaine qui minimisent considérablement les difficultés de montage d'un tel dispositif et les problèmes rencontrés lors de sa manutention, et en ce qu'il permet d'atteindre une durée de vie du dispositif importante grâce à un système d' limentation en gaz inerte peu coûteux, simple à mettre en oeuvre et de maintenance aisée, protégeant l'élément en graphite contre 1'oxydation.
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 sensiblement constante, - en ce que ladite gaine présente des ondula¬ tions régulières agencées de telle sorte que tous les points de la surface interne de la gaine voient direc¬ tement l'élément chauffant,
- en ce que ledit élément chauffant est muni de deux blocs pleins constituant une première partie termi¬ nale dudit élément et respectivement raccordés aux bornes d'entrée et de sortie du courant électrique,
- et en ce que ledit élément chauffant en graphite comporte des moyens de fixation et de centrage dudit élément chauffant à l'intérieur de la gaine, lesdits moyens de fixation et de centrage comprenant une couronne isolante en matériau réfractaire fixée sur la seconde partie terminale de l'élément chauffant en graphite et engagée dans une jupe cylindrique fixée sur la partie interne de la gaine, de sorte qu'un centrage de 1 'élément en graphite par rapport à la gaine au niveau de la seconde partie terminale dudit élément est réalisé, et une semelle composite de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant en graphite fixée de façon amovible sur la première partie terminale dudit élément et sur laquelle sont fixées des barres d'entrée et de sortie du courant d'alimentation électrique, ladite semelle étant constituée par deux portions métalliques formant respectivement les bornes d'entrée et de sortie électrique dudit élément en graphite, lesdites portions métalliques étant isolées électriquement l'une de l'autre et fixées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une plaque iso¬ lante en céramique.
Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif appliqué à un élément chauffant utilisé en position verticale ce dernier comporte une platine de montage et de manutention disposée sous la seconde partie terminale de l'élément chauffant, reposant sur le fond de la gaine et comportant des moyens de connexion avec une tige de manutention. En venant connecter, par le dessus du dispositif et en passant au travers de l'élément en graphite, une tige de manutention sur les moyens de connexion de la platine, on peut soulever l'élément en graphite, la platine venant supporter par en dessous ledit élément en graphite et les parties et connexions électriques fixées au-dessus et qui forment un tout solidaire de l'élément.
Il est également avantageux de prévoir des moyens d'isolation électrique placés entre la seconde partie terminale de l'élément chauffant et la platine de montage et de manutention, ce qui permet, d'éviter tout risque de court-circuit en empêchant 1'élément en graphite de venir en contact avec le fond de la gaine.
Dans des modes de réalisation avantageux, on aura également recours à l'une et/ou à l'autre des disposi- tions suivantes : le dispositif comporte un système d'alimen¬ tation de la chambre étanche en un gaz de protection contre l'oxydation de l'élément chauffant en graphite et d'extraction dudit gaz, connecté à la chambre étanche par au moins un passage d'entrée du gaz situé sur une des deux parties terminales de la gaine et par au-moins un passage de sortie du gaz situé sur l'autre partie terminale de la gaine, de sorte qu'une circulation du gaz de protection puisse s'effectuer dans ladite chambre étanche entre les deux parties terminales. le système d'alimentation et d'extraction en gaz de protection comporte une boite de répartition du gaz . injecté, fixée à une extrémité ou partie terminale de la gaine et, pour chaque ondulation de la chambre étanche, un passage d'alimentation à partir de ladite boîte de la goulotte correspondante définie par la partie de 1'ondulation dont la concavité est dirigée vers l'intérieur de la gaine. le gaz de protection est un gaz inerte tel que l'argon. 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 2,5 et 4. - la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé chrome-aluminisa- tion et est d'une épaisseur comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns.
- la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé "Sermetel J" .
De façon générale, ce dispositif est utilisable dans tout procédé de chauffage de fluide, mais il est particulièrement intéressant dans des réacteurs ou fours à lit fluidisé.
Ses applications sont nombreuses et diversifiées. On citera parmi celles-ci, la décarbonatation, la calcination, la pyrolyse, l'élimination de solvants, la catalyse chimique, les réactions chimiques ayant lieu à moins de 900*C, etc..
Dans un mode avantageux de réalisation, le dispositif ci-dessus décrit est réalisé et 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 réali¬ sation 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 partiellement en coupe selon l'invention, - 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 schématique de la figure 1. la figure 5 est une coupe partielle suivant V-V de la figure 1 , la figure 6 est une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 1, - la figure 7 est une vue en coupe partielle suivant VII-VII de la figure 6, la figure 8 est une vue partielle de face de la semelle de fixation de la figure 7, la figure 9 et une vue partielle en coupe de l'autre partie terminale de l'élément chauffant et du dispositif de l'invention, la figure 10 est une vue de dessous de la figure 1 , la figure 11 est une vue schématique partiel¬ lement en coupe du dispositif selon l'invention montrant une disposition pour la manutention du dispositif.
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 géné¬ rale sensiblement cylindrique. De façon plus précise, il présente une forme hélicoïdale double dans la partie chauffante, et est muni de deux parties ou blocs pleins
2 séparés l'un de l'autre à une de ses extrémités pour pouvoir y raccorder les connexions électriques. Une partie pleine est réservée pour 1'entrée du courant et l'autre pour la sortie. La double hélice permet d'allon¬ ger le chemin électrique, donc d'augmenter la résis¬ tance. 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 1'encombrement ou la tension maximale admis¬ sible. Avec un élément selon l'invention, on peut atteindre des hauteurs de 1'élément chauffant en graphite de 1'ordre de deux mètres, ce qui fait une hauteur globale du dispositif de l'ordre de trois mètres.
L'élément en graphite 1 est entouré par une gaine
3 délimitant autour de 1'élément chauffant 1 une chambre étanche 4 de rétention d'un gaz inerte tel que 1'argon. 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 (voir figure 2) d'épaisseur sensiblement constante, par exemple 10 μm. Elle présente des ondula- tions régulières comme cela apparaît plus clairement sur les figures 2 et 3. Ces ondulations sont disposées de telle façon que tous les points de la surface interne 6 de la gaine "voient" directement l'élément chauffant 1 et que la surface d'échange 7 du dispositif avec le milieu soit importante. Le rapport entre la circonfé- rence développée de la gaine et la circonférence du cercle (figurée en trait mixte sur la figure 2) passant par le sommet des ondulations les plus rapprochées de l'axe du dispositif est compris entre 2,5 et 4. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, il est de l'ordre de 3,5.
Les connexions électriques de 1'élément chauffant en graphite avec la source de courant sont au nombre de deux. Elles sont constituées chacune par une barre en acier 8, filetée à ces deux extrémités, et permettent de soutenir et de mettre en place l'élément en graphite 1 axialement et radialement et de laisser passer le cou¬ rant des connexions 9 externes au dispositif 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.
La platine 10 est plus précisément représentée sur les figures 4 et 5. C'est une pièce composite à base de pièces isolantes en céramique et de différentes pièces métalliques, par exemple dans le même matériau que la gaine, permettant le serrage de la platine sur la gaine de façon à rendre la chambre 4 étanche. La platine 10 permet le supportage de l'élément chauffant, l'obtu¬ ration du dispositif et l'isolation électrique entre les bornes. Plus précisément, elle comporte une pièce métal¬ lique 11 munie de deux passages 11a pour les barres d'alimentation et de soutien 8. Des joints 11b entre la partie supérieure 3a de la gaine 3 et la pièce 11 permettent d'assurer 1'étancheité, sachant que des moyens de serrage 11c, comportant par exemple des ron¬ delles Belleville 11d mettent en compression la pièce 11 sur la gaine 3. La pièce 11 comporte par ailleurs un tube central 12 d'évacuation du gaz d'inertage servant à protéger 1'élément chauff nt en graphite contre 1'oxyda¬ tion. Une bride de serrage 13 munie de ses moyens 13a de serrage avec système de compensation différentiel du type rondelle Belleville 13b permet de réaliser la mise en compression des joints 16 avec les épaule ents 14 soudés sur les barres 8 et assurant 1'étancheité de ces barres 8 avec l'extérieur. Des pièces isolantes en céramique 15a, 15b, 15c, 15d, réalisent l'isolation électrique des barres avec le reste des parties métalliques de la platine. Chaque pièce 15d est constituée par deux demi-cylindres, de façon à permettre leur montage sur les barres 8. Des joints 16 d'etancheite sont également prévus. Ils tiennent à des températures relativement importantes et peuvent par exemple être constitués en matériau isolant du type connu sous le nom de Klingérite.
En refermant le dispositif de façon étanche, la platine 10 permet la rétention du gaz inerte dans la chambre de rétention 4. Grâce à 1'agencement tel que décrit de la platine 10, une bonne répartition des efforts de serrage est réalisée. La température au niveau de la platine peut être de l'ordre de 300*C. Les joints peuvent également être constitués en graphite expansé, en un composé amiante, ou du type métallo-plastique propre à conserver ses propriétés d'etancheite juqu'à des températures de l'ordre de 900*C. Sur les figures 6 à 9 apparaissent plus préci¬ sément les moyens de fixation et de centrage de 1'élément chauffant 1 à 1'intérieur de la gaine 3.
Les barres d'alimentation électrique 8 sont fixées par des moyens 20 (voir figure 7) de vissage sur une semelle composite 21 de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant en graphite. La semelle 21 est elle-même fixée sur la première partie terminale 22 de l'élément en graphite 1 par des vis 23, vissées dans des trous taraudés dans les blocs pleins 2 de l'élément chauffant allongé 1. Ces blocs pleins restent relativement froids. La semelle de fixation et d'alimentation est constituée par deux portions métal¬ liques 24 formant respectivement les bornes d'entrée et de sortie électrique de l'élément graphite. Ces portions métalliques 24 sont isolées électriquement et fixées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une plaque isolante, par exemple en céramique, 25. Les moyens de fixation sont constitués par des boulons 26 venant d'un côté en appui sur la pièce métallique (par l'intermédiaire de la tête par exemple) et de l'autre en appui sur le matériau isolant (par l'intermédiaire de l'écrou), de telle sorte qu'aucun contact électrique n'existe entre les deux bornes métalliques entrée-sortie (voir figure 6) .
La plaque isolante en céramique peut être en tout autre matériau isolant électriquement tenant aux tempé¬ ratures de fonctionnement. Les moyens de fixation sont bien évidemment arrêtés, par exemple par des lamelles pliées- 27, conformément aux règles de l'art pour éviter la perte de boulons ou de vis à l'intérieur du disposi- tif.
La figure 9 montre la partie inférieure des moyens de fixation et de centrage de 1'élément chauffant en graphite dans sa gaine 3. Une couronne isolante 30 en fibre céramique ou béton réfractaire constitué par exemple par des empilages de disques, est emmanchée à force ou fixée mécaniquement sur la seconde partie terminale 31 de l'élément chauffant. Cette couronne isolante s'engage avec un jeu suffisant 32, par exemple de 5 mm, dans une jupe cylindrique 33 fixée sur la partie interne de la gaine, à l'intérieur des sommets des ondulations les plus proches de l'axe central 35 de 1'élément chauffant. Un centrage de 1'élément en graphite par rapport à la gaine, en partie basse dudit élément, est donc réalisé.
Sur le fond 36 de la gaine repose une platine de montage 37 et de manutention comportant des moyens de connexion 38, par exemple constitués par un filetage pratiqué dans un tube 39 soudé à la platine 37. Des moyens d'isolation électrique 40 et 41 reposent sur la platine 37 et s'interposent donc entre la seconde partie terminale 31 de l'élément chauffant et la platine de montage de manutention 37.
Des moyens d'isolation électrique 40, 41 per¬ mettent essentiellement de supprimer les risques de contact entre 1'élément en graphite 1 et le fond de la gaine de dispositif, ce qui engendrerait des court- circuits.
La figure 9 montre par ailleurs la partie inférieure du système 50 d'alimentation de la chambre étanche 4 en gaz de protection contre 1'oxydation de l'élément chauffant en graphite, par exemple en gaz inerte tel que l'argon.
Ce système d'alimentation 50 comporte une boîte de répartition 51 solidaire du fond 36 de la gaine, par exemple par soudage et, pour chaque ondulation 52 de la chambre étanche, un passage 53 d'alimentation de la goulotte 54 correspondante (définie par la partie concave de 1londulation dirigée vers 1'intérieur de la chambre étanche) à partir de la boîte 51, de sorte que le gaz de protection remplit entièrement la chambre étanche 4. La boite de répartition 51 est alimentée en gaz inerte par un conduit 55 solidaire de la gaine 3 et qui remonte jusqu'en partie haute du dispositif (voir figure 4). Il est connecté aux moyens d'alimentation 56 en gaz inerte (voir figure 1) par exemple par une tuyauterie amovible muni de raccord rapide étanche tenant à haute température. Les moyens d'alimentation 56 en gaz inerte comportent un dispositif 57 (transmetteur, pressostat... ) de mesure et de contrôle de la pression statique présente dans les canalisations et la chambre étanche 4. Une injection de gaz inerte supplémentaire est effectuée, par exemple de façon automatique, par un automate programmable 58 en cas de baisse de pression au-dessous d'une valeur nominale de fonctionnement choisie. Cette fonction peut aussi être remplie par un ano-détendeur basse pression situé à proximité du ther- moplongeur connecté à l'entrée 55 et par une soupape connectée à la sortie 12. L'automate contrôle avanta¬ geusement également la puissance électrique qui alimente l'élément chauffant via les bornes 9 et les barres 8 à partir d'une source 59 de puissance. Cette source peut, bien évidemment, alimenter plusieurs dispositifs selon l'invention. La gaine 3 comporte par ailleurs des moyens
70 de mesure de la température de l'élément chauffant. Ces moyens 70 sont constitués par des tubes de guidage
71 solidaires de la gaine et dans lesquels sont respectivement placés des thermocouples 72 qui sont connectés à des moyens de mesure de température 60 également reliés à l'automate.
L' automate est avantageusement muni d'une console ou d'un pupitre de commande 61 et peut être connecté à des moyens de calcul 62 et des moyens d'enre¬ gistrement des données 63 permettant un pilotage et une surveillance du fonctionnement de l'ensemble du dispo¬ sitif.
Sur les figures 1 , 4 et 9 on a représenté un seul tube de guidage pour thermocouple, mais plusieurs tubes peuvent être prévus. En général un seul tube de guidage permettant de descendre un thermocouple en milieu de partie chauffante de l'élément chauffant en graphite est suffisant. Sur la figure 9 enfin, on a représenté partiel¬ lement, sous la boite de distribution d'argon 51, un tube de centrage fixé à la boite, qui permet la mise en place et le centrage du dispositif chauffant dans le four,' par exemple à lit fluidisé, où il est utilisé.
La figure 11 montre un système de montage et de manutention de l'élément chauffant schématisé. Par l'intermédiaire du tube d'évacuation 12 de l'argon, on vient introduire une tige 80, munie d'un anneau de préhension 81, qu'on descend jusqu'en partie basse du dispositif. Cette tige 80 comprend à son extrémité une partie filetée qui est vissée sur les moyens 38 de fixation de la platine 37, restant dans la gaine durant le fonctionnement. un écrou de serrage 82 permet de bloquer en partie haute la tige de montage 80. Par 1'intermédiaire d'un pont roulant, on peut ensuite manu- tentionner . le dispositif en le prenant par son anneau 81, la platine 37 venant lorsque l'on exerce une traction sur la tige 82, s'appliquer par l'intermédiaire des disques isolants 40, 41 sur la partie inférieure de la couronne 30 solidaire de l'élément en graphite. De cette sorte, l'élément en graphite ne risque pas de bouger à 1'intérieur de sa gaine et une bonne rigidité de l'ensemble est assurée.
Un dispositif de chauffage du type ci-dessus décrit peut avantageusement être utilisé dans un réac- teur à lit fluidisé pour un procédé de décarbonatation.
Dans ce cas, la gaine 3 peut être réalisée en métal réfractaire protégé par un dépôt obtenu par chromaluminisation ou par un revêtement connu sous le nom de Sermetel J. Le procédé dit de chromaluminisation est un traitement thermochimique par diffusion. Les pièces sont plongées dans un bain de cément composé par de l'ordre de 80% de chrome et 20% d'aluminium, dilué par de l'A O, dans une proportion aux alentours de 50/50. Le traitement Sermetel J. est effectué par la Société HEURCHR0ME (176, rue d'Estienne d'Orves - 92700 COLOMBES) . Un pigment aluminium plus silicium est déposé à froid par projection au pistolet. Un étuvage pour fixation du pigment sur son support est ensuite effectué vers 360*C. Un traitement de diffusion aux alentours de 1000*C des pièces traitées termine le processus. Le fonctionnement du dispositif de chauffage décrit ci-dessus est le suivant.
Le dispositif est introduit à son emplacement dans le four à lit fluidisé, par l'intermédiaire du système de montage décrit ci-avant. On démonte ensuite le système de montage en enlevant 1'écrou de serrage 82 puis en dévissant la tige 80, la platine de montage et de manutention 37 restant dans la gaine durant le fonctionnement. On vient ensuite connecter l'entrée du gaz d'inertage, par exemple de l'argon, sur la tubulure d'alimentation 55 du gaz 12 et on chasse l'oxygène contenu dans la chambre étanche en totalité. En fin de préparation de l'atmosphère inerte de la chambre, on met en place le tuyau de sortie du gaz sur l'attente de sortie 12 et on s'arrange pour laisser une légère surpression dans la chambre, de façon à réaliser un confinement dynamique de l'intérieur de la gaine. L'ensemble du dispositif d'inertage est contrôlé par l'intermédiaire de capteurs de pression et de l'automate 58. Les connexions électriques sont effectuées sur les parties 9 des barres d'alimentation 8 puis la montée en puissance s'effectue, commandée et contrôlée par les moyens décrits ci-dessus et connus en soi. Une pression relativement constante est maintenue à 1'intérieur de la chambre étanche en contrôlant la pression interne du dispositif par l'automate.
Lors du fonctionnement, la pression dans la chambre est mesurée en permanence et du gaz inerte est introduit ou extrait de ladite chambre en fonction des chutes de pression ou des augmentations de pression au-dessus de valeurs prédéterminées. Le gaz est introduit à une extrémité et est extrait à l'autre extrémité de la gaine du dispositif 1. Celui-ci va, pour des raisons liées à son exploitation, osciller en température de façon à maintenir le bain dans lequel il se trouve à une température constante. Il s'ensuit une circulation discontinue du gaz d'inertage permettant le renouvellement de ce dernier. En effet, lorsque le gaz se dilate du fait d'une augmentation de température et pour que la pression à l'intérieur de la gaine soit maintenue constante, une certaine quantité s'échappe via le circuit 56 comprenant une soupape. Par contre, lorsque la température redescend, le bain s'étant restabilisé à sa température nominale de fonctionnement, la chambre se retrouve en dépression par rapport à sa valeur de consigne, une quantité de gaz d'inertage est alors injectée automatiquement pour venir compenser la perte de volume due à la contraction des gaz. Ce fonctionnement permet un renouvellement du gaz d'inertage nécessaire tout en consommant une quantité négligeable.
L'invention ne se limite nullement aux modes de réalisation qui ont été décrits, elle en couvre toute 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,
- le cas où les ondulations sont séparées par des portions ne présentant aucune ondulation,
- le cas où les gaines de dispositif selon 1 'invention sont obtenues par pliage de tôle et refer¬ mées ensuite sur elles-mêmes par soudure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de chauffage électrique d'un milieu comprenant un élément (1 ) chauffant allongé en graphite sensiblement cylindrique présentant deux parties terminales (22, 31) et entouré par une gaine (3) en matériau réfractaire délimitant autour de 1'élément chauffant une chambre étanche de rétention (4), 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 métallique externe (5) de protection sensiblement constante, en ce que ladite gaine présente des ondulations régulières agencées de telle sorte que la surface interne (6) de la gaine (3) voit directement l'élément chauffant ( 1 ) , en ce que 1'élément chauffant ( 1) est muni de deux blocs pleins (2) à la première desdites parties terminales (22), respectivement raccordés aux bornes d'entrée et de sortie du courant électrique, et en ce que l'élément chauffant (1) en graphite comporte des moyens de fixation et de centrage dudit élément chauffant à l'intérieur de la gaine comprenant: - une couronne isolante (30) en matériau réfractaire fixée sur la seconde (31) desdites parties terminales de 1 'élément chauffant ( 1 ) en graphite et engagée dans une jupe cylindrique (33) fixée sur la partie interne de la gaine de sorte qu'un centrage de l'élément (1) en graphite par rapport à la gaine (3) au niveau de la seconde partie (31) dudit élément est réalisé et, une semelle composite (21) de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant en graphite fixée de façon amovible sur ladite première partie terminale (22) et sur laquelle sont fixées les barres (8) d'entrée et de sortie du courant d'alimen¬ tation électrique, ladite semelle (21) étant constituée par deux portions métalliques (24) formant respectivement les bornes 'entrée et de sortie électrique dudit élément en graphite, lesdites portions métalliques étant isolées électriquement et fixées rigidement 1'une à 1'autre par 1'intermédiaire d'une plaque isolante en céramique (25).
2. Dispositif de chauffage comportant un élément chauffant vertical, caractérisé en ce qu'il comporte une platine (37) de montage et de manutention disposée sous la seconde partie terminale (31) de l'élément chauffant (1), reposant sur le fond (36) de la gaine (3) et comportant des moyens de connexions (38) avec une tige de manutention, de sorte qu'en venant connecter ladite tige par 1'intérieur de 1'élément en graphite sur la platine (37), on puisse manutentionner le dispositif par ladite tige, la platine (37) venant supporter ledit élément (1 ) .
3. Dispositif de chauffage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation électrique (40)' placés entre la seconde partie terminale de l'élément chauffant et la platine (37) de montage et de manutention.
4. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comporte un système d'alimentation de la chambre étanche en un gaz de protection contre 1'oxyda¬ tion de 1'élément chauffant en graphite et d'extraction dudit gaz, et en ce que ledit système est connecté à la chambre étanche par au moins un passage d'entrée du gaz, situé sur une des deux parties terminales de la gaine et par au moins un passage de sortie du gaz, situé sur l'autre partie terminale de la gaine, de sorte qu'une circulation du gaz de protection puisse s'effectuer dans ladite chambre étanche entre les deux parties terminales.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système d'alimentation et d'extraction en gaz de protection comporte une boîte de répartition (51) du gaz injecté, solidaire d'une partie terminale de la gaine et, pour chaque ondulation de la chambre étanche, un passage d'alimentation (53) à partir de ladite boite de la goulotte correspondante définie par la partie de l'ondulation dont la concavité est dirigée vers l'intérieur de la gaine.
6. Dispositif selon l'une quelconque- des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le gaz de protection est un gaz inerte tel que l'argon.
7. 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 (35) du dispositif est compris entre 2,5 et 4.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé chromaluminisation et est d'une épaisseur comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé "Sermetel J" .
10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes à un réacteur de décarbonatation à lit fluidisé.
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