Brevet FR2050422A1 — publié le 19710402

i 2050422 La présente invention est relative à un brûleur de plasma, du type réchauffeur de gaz, dont la chambre à arc, comprenant les électrodes d'établissement d'arq, est munie d'une tuyère d'éjection pour le gaz de travail ionisé et chauffé et qui comporte dans ses 5 parties soumises à la chaleur des conduits de refroidissement faisant partie d'un circuit fermé. Des mesures particulières permettent d'établir les brûleurs de plasma du type réchauffeur de gaz en brûleurs de plasma à haute pression. De tels brûleurs à pression de service élevée convien-10 nent à l'alimentation de souffleries pour essais intéressant l'as-traunotique*et notamment simulation de la rentrée d'engins dans l'atmosphère. Ces brûleurs de plasma peuvent en outre être utilisés Mies opérations chimiques. La pression de l'agent réfrigérant des brûleurs de plasma à 15 haute pression était jusqu'à présent créée par des pompes. L'invention tient compte du fait que si la pression de l'agent réfrigérant est inférieure à la pression de service de la chambre à arc et s'il se présente des points de fuite dans les parties soumises à la chaleur, le gaz de travail ionisé, ou plasma, peut pénétrer aux 20 emplacements défectueux et causer des dommages importants. Quant à régler, dans de tels brûleurs de plasma,la pression de l'agent réfrigérant à une valeur supérieure à la pression de service de la chambre à arc, cela représente un système de pompage compliqué et de multiples difficultés à surmonter. Il s'y ajoute d'autres dif-25 ficultés à la mise en marche et à l'arrêt du brûleur le. plasma. L'invention tend à éliminer les inconvénients précités et à rendre l'installation plus économique et plus sûre. Il faut en particulier qu'au démarrage, en fonctionnement et à l'arrêt du-brûleur de plasma, la"prèssioh* de 1e agent""Tëfrigérànt soit maïnS 30 tenue en synchronisme avec la pression^de service de la chambre à arc et, qu'à chaque emplacement de refroidissement, elle soit-au moins un peu supérieure à ladite pression de service. Le brûleur de plasma-à haute pression conforme à l'invention, est caractérisé par le fait que la chambre à arc est résistante 55 à la pression et est en liaison de transmission de pression avec lë' biTtfûjrtf* de refroidis'sëment'^ar l'intermédiaire 'd'une conduiftë""" " et d'un transmetteur de pression. L'agent réfrigérant est ainsi constamment refoulé avec l'appoint de la pression de service de la chambre à arc. La pompe de circulation n'a donc à fournir 40 qu'une faible pression, qui s'annule jusqu'au retour à la pompe. 70 24241 2 2050422 Un tel brûleur de plasma à haute pression offre plusieurs avantages essentiels. Le fait que la différence entre la pression de l'agent réfrigérant et. la pression de service de la chambre à arc électrique puisse être maintenue faible permet de rendre minces les parois situées :entre les conduits de refroidissement et la face interne des volumes de service^ ce qui garantit un bon refroidissement en plus d'une économie de matière. On peut aussi utiliser, pour véhiculer l'agent réfrigérant en dehors des zones de rayonnement, des tuyaux flexibles, car ils ne risquent pas de s'y écraser. On est en outre certain que seul l'agent réfrigérant peut s'échapper en cas de points de fuite dans les parties soumises à la chaleur. Enfin, la pompe à agent réfrigérant n'a à fournir que le travail de mise en circulation. Suivant une forme de réalisation préférée, l'une au moins des deux électrodes est montée de manière mobile , pour permettre de modifier la distance de celles-ci, dans un support formant plaque de fermeture pour une chambre de réglage dont la longueur correspond à la zone de déplacement de ladite électrode, la chambre' de réglage étant en liaison de pression'avec la chambre à arc et renfermant vin moteur en prise avec un mécanisme de réglage, et des conduites d'alimentation traversant à( demeure la paroi de cette même chambre de réglage. ( Ladite chambre de réglage maintenue à la même pression que celle du volume utile de la chambre à arc permet un déplacement d'électrode sans charge de pression et supprime .les problèmes d'étanchéité concernant le support de l'électrode. Il n'y a pas non plus de joint à prévoir pour le mécanisme de déplacement d'électrode, car le moteur est placé à l'intérieur de la chambre de réglage. La conception même de la chambre de réglage et le fait que l'agent réfrigérant soit soumis à la pression de service de la chambre à arc conduisent, solidairement, à d'autres avantages. Les conduites et lignes d'alimentation en agent réfrigérant et en courant aboutissant à l'électrode, mobile ne soïit plus obligées d'avoir des parois rigides et de traverser la paroi de manière mobirè; on peut au contraire utiliser des tuyaux flexibles et des traversées fixes, à l'exclusion de tout joint mobile à l'épreuve de la haute pression. îl est avantageux d'agencer les électrodes en bagues cylindriques opposées axialement l'une à l'autre-et renfermant des bobines magnétiques' qûi permettent la rotation de l'arc pendant 70 24241 3 2050422 le fonctionnement. Le champ magnétique est ainsi rapproché des points de naissance de l'arc dans la zone de haute induction. Il est en outre favorable de faire déboucher entre les électrodes une conduite principale d'alimentation en gaz de travail. Selon les exigences, elle ipeut être introduite plus tan-gentiellement, radialement ou coaxialement à la tuyère d'éjection et en sens inverse de l'éjection,, Le transmetteur de pression peut être un récipient de détente avec raccordement par le haut de la conduite sous près-sion et par le bas d'une conduite d'agent réfrigérant. Un piston placé dans la conduite de pression convient également. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel s la fig. 1 représente, en coupe longitudinale et de manière simplifiée, un brûleur de plasma proprement dit; la fig. 2 est une représentetion schématique d'un transmet- t ) * • teur de pression, d'un circuit d'agent réfrigérant et de la conduite sous pression allant du brûleur de plasma au transmetteur de pression.. Le brûleur de plasma à haute pression proprement dit de la fig. 1 se compose de la chambre à arc 1, de la chambre de réglage 2, de la tête dé brûleur 3 et du_corps de brûleur k pourvu de la tuyère d'éjection 5, qui peut'en particulier être agencée en tuyère de Laval. Le volume intérieur, ou volume utile, 6 de la chambre à arc 1 est relié par la conduite sous pression 7 et le transmetteur de pression 8 à la c.onduite 9 du circuit d'agent réfrigérant. L'électrode fixe 10 et l'électrode mobile 11 ont la forme de bagues cylindriques et sontvopposées axialement. Elles renferment des bobines magnétiques 12 excitées pendant le fonctionnement en sorte qu'il s'établisse un. champ de Cusp qui permettè la rotation de l'arc électrique brûlant entre les faces frontales 13 des électrodes. L'alimentation en courant se fait, pour l'électrode 10, par la borne 14 et, pour l'électrode 11, par le tube 15 servant en même temps à l'amenée de l'agent réfrigérant. Une bague profilée 16 en matière isolante, par exemple en résine époxyde renforcée de fibre de verre, sépare le potentiel de l'électrode fixe 10 et celui de l'électrode mobile 11. La chambre de réglage 2 est en équilibre de pression avec la 70 24241 4 2050422 chambre à arc 1 par l'intermédiaire d'ouvertures 17 réparties sur la périphérie. On peut aussi établir à cet effet des jonctions extérieures par tuyaux flexibles sur les deux chambres 20 La chambre à are 1 est formée par les bagues 28 montées en caspadfe et la plaque obturatri@e 29 issue de l'enveloppe de l'é-lectroûe fixe. Cette plaque obturatrice 29 établit la jonction électrique entre l'électrode 10 et la;borne 14. La tête de brûleur 3 se compose essentiellement de l'envelop-25 pe de montage 30, des parois d'écartement 31 et de la plaque frontale 32, sur laquelle est monté le corps de tuyère 4. Les éléments extérieurs soumis à la pression, tels que les bagues en cascade 28, l'enveloppe 18 et l'enveloppe de montage 30, peuvent être en acier fin inoxydable. Les éléments, qui doi-30 vent être conducteurs de l'électricité ainsi que les éléments particulièrement exposés à la chaleur et refroidis» tels que les électrodes ou leurs enveloppes 33* sont de préférence en cuivre. L'agent réfrigérant introduit par l'ouverture 34 dans la tête de brûleur 3 parcourt l'espace compris entre la plaque 35 obturatrice 29 et une paroi d'écartement 31 ainsi que la fente située entre l'enveloppe de l'électrode 33 et le corps de bobine 12, puis il s'écoule dans le volume de la chambre compris entre lâ plaque frontale 32 et une paroi d'écartement 31 pour sortir par l'ouverture 35. F1 autres conduits de refroidissement peuvent 40 être ménagés dans les bagues en cascade 28 de la chambre à arc 1. 70 24241 5 2050422 Les arrivées d'agent réfrigérant à la bobine magnétique de l'électrode mobile sont désignées par 36 et reproduites sous forme tronquée. D'autres amenées d'agent réfrigérant 37 aboutissent à la bobine magnétique de l'électrode fixe 10. Quant à la tuyère 5 5, elle est alimentée en agent réfrigérant par les amenées 38» 1 Dans cet exemple de réalisation, le gaz de travail est ^ introduit dans la chambre à arc par l'intermédiaire de la conduite principale 39 et des amenées secondaires 40° Selon la fig. 2, une conduite sous pression 7 mène du brû-10 leur de plasma 4l, conforme par exemple à la fig„'l, à un récipient de détente surélevé 8, auquel elle se raccorde par le haut. Ce récipient de détente 8 sert de transmetteur de pression et soumet à la pression de service du volume intérieur de la chambre à arc l'agent réfrigérant qui se trouve dans le circuit 15 de refroidissement raccordé par le bas au récipient de détente par la conduite 9. Ledit récipient de détente peut comporter, comme représenté, une soupape de surpression 42 et m appareil de contrôle de niveau 43. Lorsqu'on fait le plein d'agent réfrigérant, l'appareil de contrôle de niveau arrête l'arrivée de "20 cet agent réfrigérant au niveau de service, et, lors du fonctionnement, il met hors circuit l'ensemble de l'installation dès qu'on tombe au-dessous d'un niveau minimal dans le récipient de détente comme ce peut être le cas si l'agent réfrigérant s'écoule par des points de fuite., 25 Le circuit d'agent réfrigérant se compose essentiellement de la conduite de liaison 44 de la pompe de circulation 45, de Ja conduite de distribution 46, des parcours de refroidissement individuels, de la conduite collectrice 47 et de la conduite de retour 62. Les parcours de refroidissement mènent aux divers 30 organes intéressés, par exemple 48 à vl'électrode mobile,49 à l'électrode fixe, 50 à la bobine magnétique de l'électrode mo~ bile, 51 à la bobine magnétique de l'électrode fixe, 52 aux bagues en cascade de la chambre à arc et 53 à la tuyère d'éjection. On a désigné par 54 des soupapes de commande, par 55 d® dé-35 bitmètres et par 56 des sondes de température, par exemple des thermocouples. Dans l'exemple de réalisation, ces appareils de mesure servent à déterminer la puissance fournie à 18agent réfrigérant, laquelle résulte du débit et de .-la différence de température entre l'entrée et la^ sortie des parcours de refroidisse-40 ment. La différence par rapport à l'énergie électrique consommée 70 24241 6 2050422 permet de déterminer la puissance cédée au fluide de travail, c'est-à-dire le rendement. Pour refroidir à nouveau l'agent réfrigérant, le circuit comporte un échangeur de chaleur 57 avec circuit particulier 58 5 ainsi qu'un échangeur de chaleur 59 doté d'une alimentation en eau fraîche 60 commandée en fonction de la température dç retour 1 . telle qu'elle est mesurée par le thermocouple 6l„ Pour une pression de service de 50 atmosphères effectives dans la chambre à arc et avec line tuyère d'éjection de 3 mm de 10 diamètre à son point le plus étroit, la puissance-de la pompe du circuit de refroidissement peut être établie à 10 atmosphères effectives» La pression de l'eau de refroidissement est alors de 60 atmosphères effectives en amont de la pompe de circulation et tombe à 50 en aval par suite de la friction-d'écoulement. Pour le 15 mêmë exemple, la puissance du brûleur peut être établie à 500 kW et le débit dti gaz de travail à 50 g/s„ I . t 70 24241 7 2050422 REVENDICATIONS 1. Brûleur de plasma du type réchauffeur de gaz dont la chambre à arc, comprenant les électrodes d'établissement d'arc, est munie d'une tuyère d'éjection pour le gaz de travail ionisé 5 et chauffé et qui comporte dans ses parties soumises à la chaleur des conduits de refroidissement faisant partie d'un circuit I I fermé, brûleur caractérisé par le fait que la chambre à arc est résistante à la pression et est en liaison de transmission de pression avec le circuit de refroidissement par l'intermédiaire d'une 10 conduite et d'un transmetteur de pression,. 2. Brûleur de plasma à haute pression selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'une des deux électrodes est montée de manière mobile, pour permettre de modifier la distance dé celles-ci, sur un support formant plaque de fermeture pour 15 une chambre de réglage dont la longueur correspond à celle de la zone de déplacement de ladite électrode, ladite chambre de réglage étant en liaison de pression avec la chambre à arc et renfermant un moteur en prise avec un mécanisme de réglage, et des conduites d'alimentation traversant à demeure la paroi de cette même 20 chambre de réglage, 3. Brûleur de plasma à haute pression selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les électrodes sont isssentiellement agencées en bagues cylindriques opposées axialement et renfermant des bobines magnétiques, 25 4, Brûleur de plasma à haute pression selon l'une quelcon que des revendications là 3 caractérisé par le fait qu'une conduite principale d'alimentation en gaz de travail débouche entre les éleptrodes, 5, Brûleur de plasma à haute pression selon l'une quel-30 conque des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait qu'il comporte un récipient de détente avec raccordement de la conduite sous pression par le haut et d'une conduite- d'agent réfrigérant par le bas.1 6, Brûleur de plasma à haute pression selon l'une quelconque 35 des revendications 1 à 4"caractérisé par le fait qu'un piston est intercalé dans la conduite sous pression, entre la chambre à arc et le circuit d'agent réfrigérant. v