Brevet FR2518351A1 — publié le 19830617

r 2518351 PROCEDE ET APPAREIL DE CHAUFFAGE D'UN LIQUIDE DIELECTRIQUE OU PRATIQUEMENT DIELECTRIQUE ET EMPLOI DUDIT APPAREIL POUR LE CHAUFFAGE NOTAMMENT DE FLUIDE CALOPORTEUR La présente invention concerne un procédé de chauffage d'un liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique à l'aide d'énergie électrique Elle concerne également un appareil de chauffage mettant en oeuvre ledit procédé. Le procédé et l'appareil, objets de la présente invention, sont plus particulièrement destinés au chauffage de fluides caloporteurs - Les techniques de chauffage de liquides à l'aide d'énergie électrique au moyen de l'effet Joule, actuellement utilisées industriellement, sont identiques que le liquide à chauffer soit diélectrique ou conducteur Ainsi, habituellement, les liquides sont chauffés au moyen de dispositif de chauffage comportant au moins une résistance électrique située dans une gaine métallique, un moyen d'isolation électrique tel que air, magnésie, nitrure de bore, étant prévu entre la résistance et la surface intérieure de la gaine, le dispositif étant immergé au sein du liquide à chauffer. Le plus souvent, afin de pouvoir disposer d'une puissance suffisante, le dispositif de chauffage comporte un faisceau de résistances gainées en forme de U fixées par leurs bras libres à une plaque à travers laquelle les connexions électriques de chaque résistance en U sont assurées La plaque permet également la fixation du dispositif de chauffage à une bride entourant une ouverture de l'enceinte contenant le liquide à chauffer, cette ouverture permet aussi deintroduire le faisceau à l'intérieur de l'enceinte. Bien que ce mode-de chauffage donne satisfaction, il présente de nombreux inconvénients. En effet, comme des moyens d'isolation électrique sont nécessairement placés entre la résistance et la gaine métallique, ces moyens étant aussi, généralement, des isolants thermiques, il apparait- une différence de température importante entre la résistance elle même et la surface de la gaine participant aux échanges thermiques avec le liquide à chauffer. 2. De plus, la géométrie du faisceau de résistances est cause de pertes de charges importantes, de zones de stagnation du liquide donc de surchauffes et de risques de dégradations de celui-ci En outre, cette géométrie favorise aussi l'encrassement du faisceau. De par leur conception, les faisceaux sont lourds et encombrants et de plus, chaque résistance en U implique d'être connectée électriquement à chacune de ses extrémités Ceci est un inconvénient important de ce mode de chauffage, car on ne dispose pratiquement pas sur le marché de faisceaux d'une puissance unitaire disponible supérieure à 200 k W, ce qui implique de pourvoir l'enceinte contenant le liquide à chauffer d'un grand nombre de faisceaux pour disposer de la puissance nécessaire Ainsi, lorsque des volumes ou des débits importants de liquide sont à chauffer, à des températures de l'ordre de 300 OC par exemple, dans des installations de produits chimiques, ce mode de chauffage implique un matériel encombrant et coûteux. Pour pallier ces inconvénients pour le chauffage-de liquides diélectriques ou pratiquement diélectriques à l'aide d'énergie électrique on a maintenant mis au point un procédé de chauffage et réalisé un appareil mettant en oeuvre ledit procédé. Il a maintenant été trouvé, un procédé de chauffage d'un liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique à l'aide d'énergie électrique, caractérisé en ce que on immerge directement au moins une résistance dans ledit liquide et on applique une différence de potentiel aux bornes de la ou desdites résistances. Par "fluide pratiquement diélectrique" on entend, dans le présent texte, un liquide dont la résistivité est supérieure à î 08 s S/cm à la température d'utilisation. Par "directement" on entend que la résistance est nue, c'est-à-dire qu'entre la résistance et le liquide il n'existe pas de moyens substantiels d'isolation électrique, ceci n'exclut pas, que dans certains cas, et pour certaines applications, la résistance comporte un mince revêtement. Le procédé, objet de l'invention, est tel que l'on peut appliquer aux bornes de la ou des résistances une différence de potentiel supérieure à 380 V. -18351 3- On peut notamment appliquer aux bornes de la résistance des différences de potentiel allant jusqu'à 10 000 V, des différences de potentiel de l'ordre de 5 500 V étant couramment disponibles en usine. Bien sûr, dans ce cas, lors de la mise en oeuvre du procédé, l'homme de l'art se conformera aux règles en vigueur et aux-spécifications particulières de conception et d'utilisation des installations haute tension. Dans le présent texte par "résistance" on entend un conducteur dans lequel toute l'énergie électrique reçue est transformée en chaleur par effet Joule. Il a également été trouvé un appareil de chauffage de liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique qui met en-oeuvre le procédé de chauffage, objet de l'invention. Un tel appareil de chauffage est caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte contenant ledit liquidé dans lequel est immergée au moins une résistance et des moyens pour relier la ou lesdites résistances à un réseau de distribution électrique. L'appareil, selon l'invention, comporte, bien sûr, dans la paroi de l'enceinte des ouvertures permettant le passage des moyens pour relier la ou les résistances à un réseau de distribution électrique L'homme de l'art établiera les connexions entre les résistances et le réseau par les techniques habituelles en prévoyant les moyens d'isolation électrique nécessaires. Avantageusement, l'appareil de chauffage, objet de l'invention, comporte plusieurs résistances reliées électriquement en série et/ou en parallèle. Selon un mode de réalisation, l'appareil, selon l'invention, peut comporter au moins trois résistances reliées électriquement en triangle ou en étoile Ce mode de réalisation permet de relier les résistances à un réseau de distribution électrique triphasé. Le terme "résistance" dans le présent texte désigne aussi bien une résistance unique qu'une résistance formée de plusieurs résistances élémentaires, identiques ou non, reliées en série et/ou en parallèle. L'homme de l'art déterminera le schéma électrique de liaison des résistances, selon la puissance de chauffage nécessaire, le matériel disponible, les impératifs de construction L'appareil de chauffage d'un liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique, objet de l'invention, peut être tel que l'enceinte contenant le liquide est un tronçon de conduite balayé par le liquide à chauffer Un tel appareil est plus particulièrement destiné à maintenir la température d'un liquide en mouvement par compensation des pertes thermiques survenues par exemple lors du transport du liquide chaud sur de longues distances. Selon un autre mode de-réalisation, l'enceinte d'un appareil de chauffage selon l'invention peut être constituée par un récipient comportant des moyens d'entrée du liquide à chauffer et des-moyens de sortie du liquide chaud Un tel appareil peut comporter un récipient d'un volume suffisant pour constituer un stockage de liquide chaud. Les chaudières sont des appareils de chauffage selon ce mode de réalisation De tels appareils de chauffage sont plus particulièrement destinés au chauffage de fluides caloporteurs organiques, naturels ou synthétiques, utilisés dans les installations chimiques On peut aussi utiliser comme fluide caloporteur desproduits ou des mélanges de produits minéraux fondus pratiquement diélectriques. Selon encore un autre mode de réalisation, l'enceinte d'un appareil de chauffage objet de l'invention peut être constituée par un récipient comportant des moyens d'entrée du liquide à chauffer et des moyens de sortie de la vapeur dudit liquide, le liquide étant chauffé jusqu'à son point d'ébullition dans le récipient. Les bouilleurs sont des appareils-de chauffage selon cet autre mode de réalisation. L'appareil de chauffage objet de l'invention peut comporter des résistances formées par exemple d'un fil métallique enroulé en hélice et non supporté par un mandrin. De préférence l'appareil selon l'invention est tel que la ou lesdites résistances sont sensiblement en forme de plaque. Avantageusement la ou les résistances sont placées de façon telle que les vecteurs vitesses du mouvement général du liquide, en écoulement naturel ou forcé, au Voisinage de la ou des résistances, soient tangents ou parallèles aux faces desdites plaques. Le mouvement général du liquide est le mouvement du liquide correspondant au déplacement de celui ci, sans tenir compte de mouvements locaux, tels que les tourbillons, au voisinage des faces des plaques. Cette disposition a pour but de diminuer autant que possible les pertes de charges dues aux résistances et ainsi de favoriser les échanges thermiques avec le liquide en conservant des vitesses de balayage des faces des résistances par le liquide, élevées. Bien que le terme "plaque" désigne plus précisément une feuille d'une matière rigide, plane et peu épaisse, on étendra dans le présent texte la signification de ce terme à des feuilles peu épaisses non planes, par exemple cylindriques ou gauches. Des résistances en forme de plaques gauches seront plaçées de façon telle que les vecteurs vitesses du mouvement général du liquide, en écoulement naturel ou forcé, au voisinage des résistances, soient tangents aux faces desdites plaques. Des résistances en forme de plaque planes ou cylindriques seront placées de façon telle que les vecteurs vitesses du mouvement général du liquide en écoulement naturel ou forcé, au voisinage desdites surfaces, soient parallèles aux faces des plaques Ainsi une résistance en forme de plaque cylindrique a son axe parallèle à la direction générale du mouvement du liquide. Dans des appareils de chauffage selon l'invention, présentant un écoulement naturel ou forcé du liquide, de direction générale parallèle à une direction donnée, on peut utiliser des résistances en forme de plaque sensiblement plane placées parallèlement à la direction générale du mouvement du liquide. Des résistances en forme de plaque plane rectangulaire allongée peuvent être pliées, par exemple en zigzag, selon leur longueur et - placées de façon telle que leur largeur soit parallèle à la direction générale du mouvement du liquide. On peut aussi utiliser des résistances en forme de plaque de forme générale cylindrique, le cylindre étant engendré par une génératrice se déplaçant parallèlement à la direction générale du mouvement du liquide en s'appuyant sur une directrice, ouverte ou fermée, de forme courbe, par exemple circulaire, ou de forme polygonale, Rs 18351 plusieurs résistances cylindriques peuvent être placées de façon concentrique. Les résistances peuvent être en forme de plaque de structure continue ou de structure discontinue. Par "structure continue" des résistances en forme de plaque on entend que la structure des résistances ne comporte pas de trou, ainsi desirésistances de structure continue sont semblables à des tôles. Par "structure discontinue" des résistances en forme de plaque on entend que la structure des résistances comporte des trous, ainsi des résistances de structure discontinue peuvent être constituées d'un tissu obtenu par tissage, tricotage, tressage ou torsadage Elles peuvent aussi être constituées d'une tôle ajourée obtenue par découpage avec enlèvement de matière, c'est-à-dire par poinçonnage. De préférence des résistances en forme de plaque de structure discontinue sont obtenues par découpage d'une pluralité de fentes dans une tôle et étirage dans une direction perpendiculaire aux fentes. Pour les résistances de structure discontinue formées d'un tissu ou obtenues par découpage et-étirage on considère que la face des plaques est la surface qui enveloppe les reliefs des plaques. Les résistances sont réalisées en des matériaux, résistant à la corrosion Ainsi, les résistances peuvent être en aciers inoxydables de nuances habituellement utilisées pour ce type de matériel, en aciers inoxydables réfractaires, on peut-aussi utiliser des aciers spéciaux après qu'ils aient subi un traitement anticorrosion. Les surfaces des résistances peuvent être d'aspect sensiblement lisse de préférence elles sont d'aspect rugueux Cet aspect rugueux peut être obtenu par exemple par sablage. Des résistances dont les surfaces sont d'aspect rugueux sont plus particulièrement destinées à la réalisation d'appareils de chauffage objets de l'invention comportant des moyens d'entrée du liquide à chauffer et des moyens de sortie de la vapeur dudit liquide En effet la rugosité des résistances favorise l'ébullition nucléée du liquide. Eventuellement, les surfaces des résistances peuvent être pourvues d'un revêtement, ce revêtement peut être poreux, afin de favoriser l'ébullition nucléée, il peut aussi être un revêtement 18351 X anticorrosion de faible épaisseur par exemple en émail silicone ou en thermostable. L'appareil de chauffage de liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique, selon l'invention, est utilisable pour chauffer des produits chimiques liquides peu ou pas conducteurs de l'électricité, mis en jeu dans des procédés chimiques - Cet appareil de chauffage est particulièrement destiné au chauffage des fluides caloporteurs utilisés dans les installations chimiques. La compréhension de l'invention sera facilitée par les figures ci-jointes, qui illustrent à titre d'exemple, schématiquement et sans échelle déterminée, un mode de réalisation d'un appareil de chauffage selon la présente invention et un mode de réalisation de la structure d'une résistance. La figure 1 est une vue en coupe par un plan axial d'un mode de réalisation d'un appareil de chauffage selon l'invention. La figure 2 est une vue partielle d'un mode de réalisation d'une résistance de structure discontinue. La figure 3 est une vue partielle en coupe par le plan III-III de la résistance selon la figure 2. L'appareil de chauffage ( 1), objet de l'invention, représenté schématiquement figure 1, est plus particulièrement un appareil de chauffage de fluide caloporteur utilisé dans une installation chimique. Cet appareil de chauffage ( 1) comporte une enceinte ( 2) contenant le fluide caloporteur ( 3), dans le fluide caloporteur ( 3) sont immergées six résistances ( 4) et des moyens ( 5) pour relier les résistances ( 4) à un réseau de distribution électrique ( 6). L'enceinte ( 2) est, selon le présent mode de réalisation, un récipient formé d'un corps ( 7) sensiblement cylindrique; fermé à ses extrémités par un couvercle ( 8) et un fond ( 9). L'enceinte ( 2) comporte à sa partie basse des moyens d'entrée ( 10) du fluide caloporteur à chauffer et au voisinage de sa partie haute des moyens de sortie ( 11) du fluide caloporteur chaud, ces moyens sont constitués par des conduites. La conduite d'entrée ( 10) est de préférence pourvue d'une vanne trois voies ( 12) permettant la vidange de l'appareil de chauffage ( 1). Les résistances ( 4), selon le mode de réalisation représenté figure 1, sont en forme de plaques planes sensiblement rectangulaires, leurs faces sont placées parallèlement Fà la direction du mouvement général du fluide dans l'appareil de chauffage, mouvement ascendant représenté par la flèche F Elles sont maintenues en place à l'aide de supports isolants ( 14) fixés au corps ( 7) de l'enceinte ( 2). Les six résistances ( 4) sont reliées l'une à l'autre en série par des barrettes conductrices ( 15), les deux résistances extrêmes - comportent les moyens ( 5) pour relier l'ensemble au réseau de distribution électrique ( 6) Les connexions entre les résistances ( 4) et le réseau électrique ( 6) traversent le fond ( 9) de l'enceinte ( 2)-par une ouverture ( 16) pourvue de moyens d'isolation électrique ( 17) et d'étanchéité - Les résistances ( 4) et leur mode de liaison électrique n'ont été décrits ci-avant qu'à titre d'exemple et l'on ne sort pas du cadre de l'invention en remplaçant au moins une résistance ( 4) par plusieurs résistances élémentaires et/ou en établissant les liaisons électriques entre elles différemment. Avantageusement l'enceinte ( 2) n'est pas remplie de fluide caloporteur ( 3), dans l'espace libre ( 18) entre la surface du fluide caloporteur ( 3) et le couvercle ( 8) de l'enceinte on maintient une pression d'azote, le couvercle ( 8) étant pourvu d'une tubulure ( 19) à cet effet. Les connexions entre les résistances ( 4) et le réseau électrique ( 6) peuvent aussi être réalisées à travers une ouverture du couvercle ( 8), dans la zone du couvercle ( 8) non baignée par le fluide caloporteur. Les conduites d'entrée ( 10) du fluide caloporteur à chauffer et de sortie ( 11) du fluide caloporteur chaud peuvent être reliées directement au circuit de mise en oeuvre du fluide chaud c'est-à-dire au circuit de chauffage de l'installation chimique. Les conduites d'entrée ( 10) du fluide caloporteur à chauffer et de sortie ( 11) du fluide caloporteur chaud peuvent être reliées à un échangeur de chaleur dans lequel est chauffé un autre fluide caloporteur, celui-ci étant mis en oeuvre dans le-circuit de chauffage de l'installation chimique Une telle réalisation permet de mieux sauvegarder la propreté, et par voie de conséquence, les propriétés diélectriques du fluide caloporteur chauffé dans l'appareil de chauffage objet de la présente invention. Les résistances ( 4) peuvent être réalisées en forme de plaques sensiblement planes de structure discontinue telle que représentée en vues partielles figures 2 et 3. La résistance en forme de plaque de structure discontinue, dont un fragment est représenté figure 2, comporte des trous ( 19) sensiblement en forme de losange obtenus par découpage dans une tôle d'une pluralité de fentes alignées selon leur longueur et placées en quinconce, puis étirage dans une direction perpendiculaire aux fentes, c'est-à-dire parallèle aux petites diagonales des losanges Cet étirage provoque une rotation des rubans ( 20) séparant les losanges (cf figure 3) Selon ce mode de réalisation des résistances on considère que les faces des plaques sont les surfaces, matérialisées par les deux lignes discontinues ( 21, 22), qui enveloppent tous les reliefs des plaques. Sur la figure 3 on a représenté les vecteurs vitesses V du mouvement général du fluide caloporteur en écoulement, les vecteurs vitesses V sont ici parallèles aux faces de la plaque, ce mouvement général ne tient pas compte des mouvements locaux, tels que les tourbillons T, crées par les reliefs de la plaque de structure discontinue Ces tourbillons T, favorisent le transfert de chaleur entre la résistance et le fluide caloporteur. Le procédé et l'appareil, objets de l'invention, présentent de nombreux avantages vis-à-vis des appareils selon l'art antérieur. En effet, la ou les résistances électriques étant immergées directement dans le liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique permettent un meilleur échange thermique car, avec le procédé de- chauffage selon l'invention, la surface qui participe à l'échange thermique avec le liquide à chauffer est la surface même par laquelle se dissipe l'effet Joule né dans la résistance Ainsi, toute la surface de la résistance participe à l'échange avec le liquide et l'écart de température entre la résistance et le liquide est faible, ce qui limite les risques de dégradation thermique du film de liquide qui est en >à 5518351 contact avec la résistance. Le procédé et l'appareil de chauffage selon l'invention présentent aussi l'avantage de permettre la construction d'appareils de chauffage, notamment de chaudières, compacts En effet, selon l'invention on peut disposer, pour des chaudières, d'une puissance électrique d'au moins 1 k W par litre d'encombrement de chaudière. La diminution du nombre et de l'encombrement des connexions électriques, par rapport aux dispositifs de chauffage comportant un faisceau de résistances électriques pourvues de gaines, favorise également la compacité des appareils de chauffage selon l'invention. Un autre avantage des appareils de chauffage objets de l'invention, est que, de par la forme de plaque des résistances et dé par leur positionnement de façon telle que les vecteurs vitesses du mouvement général du liquide au voisinage des résistances soient tangents ou parallèles aux faces des plaques, les pertes de charges du liquide dans l'appareil de chauffage sont relativement faibles ce qui permet souvent un fonctionnement en thermosiphon de l'appareil ou à défaut une circulation assistée du liquide, sans nécessiter l'utilisation de moyens de pompages puissants De plus, lorsqu'un tel appareil de chauffage est utilisé Comme bouilleur, il permet une section libre de passage des bulles importante, contrairement aux bouilleurs selon l'art antérieur. En outre, les appareils de chauffage selon l'invention sont de constructions et d'entretien aisés, les problèmes d'étanchéité au niveau des gaines des résistances étant supprimés. Les avantages du procédé et de l'appareil de chauffage selon l'invention sont particulièrement intéressants à utiliser pour le chauffage de liquides diélectriques tels que les fluides caloporteurs. L'exemple ci-après met en évidence les avantages du procédé et de l'appareil de chauffage mettant en oeuvre le procédé, objets de la présente invention, lors du chauffage de fluide caloporteur. Exemple On a réalisé une chaudière sensiblement parallélépipédique Elle comporte trois résistances, reliées en série, en forme de plaque rectangulaire allongée, pliée en zigzag selon leur longueur, et situées il à des niveaux différents parallèlement au fond de la chaudière - Les résistances sont des plaques de structure discontinue telles que représentées figure 2, elles dissipent une puissance de 2 k W. La chaudière, fonctionnant en thermosiphon, contient 30 litres de fluide caloporteur constitué de polyphényles partiellement hydrogénés, commercialisés sous le nom de GILOTHERM TH par la Société RHONE-POULENC SPECIALITES CHIMIQUES. Après 1 000 heures de fonctionnement, à une température de 300 OC, on arrête l'essai. Les anlayses et les mesures des propriétés du fluide caloporteur mis en oeuvre dans la chaudière montrent que celui-ci n'a subi aucune dégradation. L'observation des résistances revèle qu'elles ne présentent aucune trace d'encrassement. REVENDICATIONS l Procédé de chauffage d'un liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique à l'aide d'énergie électrique, caractérisé en ce que onimmerge directement au moins une résistance dans ledit liquide et on applique une différence de potentiel aux bornes de la ou desdites résistances. 2 Prqcédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on applique aux bornes de la ou des résistances une différence de potentiel supérieure à 380 V. 3 Appareil de chauffage d'un liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique à l'aide d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre le procédé de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte ( 2) contenant ledit liquide ( 3) dans lequel est immergée au moins une résistance ( 4) et des moyens ( 5) pour relier la ou lesdites résistances à un réseau de distribution électrique ( 6). Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs résistances ( 4) reliées électriquement ( 15) en série et/ou en parallèle. 6 Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins trois résistances reliées électriquement en triangle ou en étoile. 7 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte est un tronçon de conduite balayé par le liquide à chauffer. 8 Appareil-selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte ( 2) est constituée par un récipient ( 7, 8, 9) comportant des moyens d'entrée ( 10) du liquide à chauffer et des moyens de sortie ( 11) du liquide chaud. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que ladite enceinte est constituée par un récipient comportant des moyens d'entrée du liquide à chauffer et des moyens de sortie de la vapeur dudit liquide. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la ou lesdites résistances sont sensiblement en forme de plaque. 11 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la ou les résistances en forme de plaque sont placées de façon telle que les vecteurs vitesses, du mouvement général du liquide en écoulement naturel ou forcé, au voisinage de la ou des résistances soient tangents ou parallèles aux faces desdites plaques. 12 Appareil selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la ou les résistances sont en forme de plaque sensiblement plane, ou de plaque sensiblement cylindrique. 13 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que la ou les résistances, en forme de plaque, sont de structure continue. 14 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, caractérisé en ce que la ou les résistances, en forme de plaque, sont de structure discontinue. Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que les surfaces de la ou des résistances sont d'aspect rugueux. 16 Appareil selon l'une quelconque des revendications 4 à 14, caractérisé en ce que les surfaces de la ou des résistances sont pourvues d'un revêtement. 17 Emploi d'un appareil de chauffage selon l'une quelconque des revendications 4 à 16, comme appareil de chauffage de liquide diélectrique ou pratiquement diélectrique notamment de fluide caloporteur.