Dispositif de chauffage électrique comportant une gaine métallique

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

[0001] 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.

[0002] 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.

[0003] 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.

[0004] Cependant, l'utilisation d'une gaine en cérami­que dont la conductibilité thermique est faible limite la puissance surfacique dissipable.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] L'invention propose également un dispositif pour lequel l'alliage métallique réfractaire est un acier inoxydable recouvert d'un dépôt de chrome aluminium.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] Un autre mode de réalisation utilise un alliage fer-chrome-aluminium comme alliage réfractaire pour la gaine métallique du dispositif de chauffage électrique.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

[0023] 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.

Revendications

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.

Dessins