Brevet FR2540233A2 — publié le 19840803

FR 2540233 A2 19840803 FR 8301585 A 19830131 L'invention a pour objet un four électrique à haute température dont les résistances sont des tubes métalliques verticaux creux chauffants. Cette invention a déjà fait l'objet d'une demande principale de brevet d'invention déposée en France le 27 octobre 1981 sous le nO 81 20493 et d'un premier certificat d'addition déposé le 10 mars 1982 sous le nO 82 04218. Ces résistances chauffantes, qui sont des tubes métalliques, sont reliées entre elles par des plaques-ponts ou traverses. Ces plaquesponts ont une forme particulière afin d'éviter tout effet d'échauffement local dans les liaisons raccordant deux brins parallèles successifs. Cet échauffement est du au cheminement préférentiel du courant suivant le trajet le plus court. Cet inconvénient est éliminé habituellement en renforçant les sections de métal dans cette zone. Ledit cheminement préférentiel est éliminé par une disposition égalisant les résistances des parcours "élémentaires" entre génératrices associées de deux éléments chauffants raccordés. A cet effet, il est utilisé une plaque-pont de forte section, pliée pour être soudée aux deux éléments des tubes chauffants dont les extrémités correspondantes sont coupées suivant un profil donnant justement cette égalité des résistances élémentaires globales entre paires de génératrices associées. La solution retenue consiste à relier les deux éléments chauffants par une connexion électrique raccordée aux extrémités des deux éléments, de telle sorte qu'il y ait égalité de resistances électriques des trajets élémentaires entre les divers couples de points situés dans les deux sections de ces deux éléments, et également distantes de cette connexion.Ceci conduit à découper l'extrémité des éléments chauffants de façon à intégrer dans ces trajets élémentaires une longueur de ces éléments, d'autant plus longue que le trajet dans la connexion est plus court. Cette découpe de l'extrémité des tubes est d'autant plus complexe que la dimension de la section droite de la connexion électrique est plus proche que celle des éléments chauffants, et que la densité de courant dans ces derniers est plus élevée. Cette découpe de l'extrémité des tubes creux chauffants ne doit pas être orthogonale. Pour les valeurs de densité habituellement utilisées, on peut avoir une bonne homogénéité des résistances des parcours élémentaires par une simple coupe plane, mais en biais, des éléments chauffants, lorsque la section de la connexion électrique est notablement plus importante que celle de l'élément chauffant. Le profil de cette coupe en biais est déterminé par le rapport des deux sections droites (tubes creux chauffants et plaque-pont). Ce mode de raccordement électrique entre éléments chauffants réalisant l'égalité, ou presque, des divers cheminements élémentaires du courant électrique est désigné par le vocable "plaques-ponts équicourant". L'invention décrit une plaque-pont équicourant de forte section, pliée pour être soudée aux deux tubes chauffants dont les extrémités correspondantes sont coupées suivant un angle donnant justement cette égalité de résistances élémentaires globales entre paires de génératrices associées. L'angle de ces coupes en biais est adapté au rapport des sections de la plaque-pont équicourant et du tube chauffant pour égaliser ces différents parcours élémentaires. L'invention concerne également les moyens d'attache ou de suspension ventilés intérieurement. Les éléments chauffants sont suspendus à un système de tubes creux attaches réfrigérés, faisant office d'attache, traversant le calorifuge du four et prenant appui sur la carcasse externe de ce four. Ces tubes creux attaches réfrigérés, faisant office d'attache, contiennent un tube réfrigérant logé dans l'alésage, ouvert à ses deux extrémités ; l'ouverture basse se situe en zone basse du tube creux attache réfrigéré, tandis que i'ouverture haute, traversant l'extrémité supérieure du tube creux attache réfrigéré, débouche à l'air libre. La seule ouverture du tube creux attache réfrigéré, fermé à ses deux extrémités, est située en partie haute et est implantée latéralement.Une source fournissant le fluide réfrigérant sous une pression modérée insuffle celui-ci dans la partie haute de ce tube attache réfrigéré, par l'ouverture latérale. Le fluide descend dans l'espace annulaire formé entre le tube attache réfrigéré et le tube réfrigérant, pour emprunter ensuite le tube réfrigérant en y entrant par son ouverture inférieure pour sortir à l'air libre par la partie supérieure du tube réfrigérant. Ce moyen d'attache ventilé intérieurement est également utilisé dans des broches d'amenée de courant, au travers des structures du four électrique, connectant les éléments chauffants au réseau extérieur. En effet, les broches d'amenée de courant reçoivent un fluide thermique dans leurs extrémités situées dans la cavité du four : par le rayonnement de celui-ci et par conduction des tubes chauffants raccordés à ses extrémités internes. De plus, les broches d'amenée de courant sont le siège d'un apport thermique, dans leur masse, dû à l'effet Joule du courant électrique les traversant. Enfin, l'invention concerne un four pris dans son ensemble, composé d'éléments chauffants modulaires interchangeables rapidement ainsi que lesdits éléments modulaires, pris séparément ou en combinaison, qui permettent le remplacement rapide, par l'extérieur, en cas de panne d' un élément modulaire chauffant sans attendre que le four soit refroidi. Les figures ci-jointes données à titre d'exemple indicatif et non limitatif permettront aisément de comprendre l'invention. Elles représentent un mode de réalisation préféré selon l'invention. Les figures 1, 2, 3, 4, 5, 6 et 7 représentent des vues en plan et des demi coupes de différents modes de réalisation de plaque-pont. La figure 8 est une vue de côté et une demi coupe du tube d'attache, d'une broche d'amenée de courant et des tubes chauffants. La figure 9 est une vue d'un élément chauffant modulaire interchangeable, vue en perspective à demi sorti du four. La figure 10 est une vue d'un four, vue de dessus en perspective, au cours du changement d'un élément chauffant modulaire. La demande de brevet principale nO 81 20493 du 27.10.1981 présentait une solution à la tenue mécanique de l'accrochage des résistances de fours électriques industriels fonctionnant à haute température. Celle-ci consistait à diminuer la température des pièces les plus sollicitées grâce à une attache composée d'un tube creux parcourue par un fluide refroidissant et couplée thermiquement à la connexion électrique formée par la plaque-pont des deux extrémités de chaque paire d'éléments chauffants. Ces plaques-ponts, mécaniquement associées aux attaches, transmettent à ces dernières, le poids de la résistance constitué par l'ensemble des éléments-tubes chauffants. Dans cette même optique d'une recherche de l'amélioration de la tenue mécanique des structures d'accrochage par l'abaissement de leur température, figure l'élimination des zones localement exceptionnellement chaudes par concentration inutile des courants électriques en certains points. I1 est, en effet, connu que le raccordement sans précaution de deux tubes chauffants parallèles, entraîne une concentration de courant le long du circuit le plus direct. C'est ainsi qu'une connexion, ou plaque-pont, telle que celle représentée dans la figure 1, provoque une concentration du courant dans les zones A et B des soudures, au détriment des zones C et D. I1 est non moins connu que la parade empirique à la surchauffe résultant des zones A et B consiste à renforcer les soudures A et B pour y diminuer la densité de courant ; d'où une surchauffe, par rapport à C et D, moins importante. L'objet de la présente invention vise à apporter une solution rationnelle. La concentration du courant en A et B résulte des lois bien connues régissant l'écoulement électrique de circuits complexes (loi d'Ohm et de Kirchoff). Pour obtenir l'uniformité des densités de courant dans les soudures de raccordement de la connexion avec les tubes, il suffit d'égaliser les résistances des divers cheminements parallèles possibles entre deux sections droites des tubes chauffants 57a, 57b, au meme niveau (figure 3). Ceci se traduit en toute rigueur par - RAB+ RBg + Rssd = R CD+ RDS + Riy= REF + Ray + Rpz où R est la résistance du trajet dont les extrémités sont repérées par les lettres A, g ; chaque somme représente donc la résistance totale élémentaire rencontrée par le courant pour aller d'un point de la section N du tube 57a au point identique de cette meme section N du tube 57b. La réalisation pratique donnant l'égalité des résistances élémentaires se traduit par une plaque-pont formant une connexion électrique 55 de section droite plus importante que celle des deux tubes chauffants 57a, 57b et par un profil des extrémités de ces deux tubes d'autant plus complexe que les densités de courant dans les tubes chauffants sont élevées et que le rapport entre les sections droites de la connexion électrique et des tubes est plus proche de l'unité. Par contre, pour les densités de courant habituellement employées (3 à 5 ampères/mm2) et l'utilisation d'une connexion électrique de section notablement plus importante que celle des tubes (rapport 3 à 4), on obtient un profil d'extrémité des tubes très simple et de réalisation aisée (figure 4). L'extrémité des tubes 57a et 57b est plane. Elle forme un angle 9 (} ) par rapport à la section droite. La valeur de cet angle est fonction de la densité de courant dans les tubes chauffants, et du rapport entre les sections droites de la connexion électrique, ou plaque-pont, et celle des tubes. Pour les valeurs courantes, cet angle ( 6 > ) est voisin de 300 : (t - 300. En toute rigueur, l'égalité des résistances n'est pas parfaitement réalisée avec cette jonction biaise, mais on obtient cependant une bonne homogénéité des températures le long du cordon de soudure, même avec des densités de courant supérieures à 5 ampères/mm2. Une telle connexion électrique permettant une homogénéité acceptable des températures dans les soudures est désignée par le terme de plaque-pont équicourant 55. Sa combinaison avec une attache droite ventilée 45, telle que représentée précédemment, conduit à une réalisation représentée dans la figure 10, synthèse des inventions initiées par la demande de brevet principale nO 81 20493 du 27.10.81. Dans les fiacres 2 et 3, le tube creux chauffant faisant office de résistance 57 est coupe à son extrémité 60 selon un angle en biais déterminé par le rapport des deux sections droites du tube creux chauffant et de la plaque-pont 55. Cette plaque-pont équicourant 55 est composée de deux plans P 1 et P 2 qui forment entre eux un angle w w ). Chaque plan A ou B forme avec le plan horizontal un même angle ( SF ). L'angle fF peut être voisin de 300 : fr a 300. Dans les figures 4 et 5, la plaque-pont équicourant 55 comporte une partie supérieure horizontale P 3 et deux plans inclinés P1 et P2 qui forment un angle tE avec l'horizontale. Dans les figures 6 et 7 la plaque-pont équicourant 55 comporte une partie supérieure horizontale P 3 et deux paires de plans inclinés P1 et P2 , P3 et P4 qui forment avec l'horizontale deux angles et X 2. Le dispositif de support des résistances équipant les fours électriques industriels haute température, par un dispositif ventilé permettant d'abaisser la température des éléments les plus sollicités mécaniquement, peut être assuré par un tube plié en forme d'épingle comme décrit dans la demande de brevet principal déposée le 27 octobre 1981 ainsi que dans le premier certificat d'addition déposé le 10 mars 1982 enregistré sous le nO 82 04281. Il peut être également réalisé par le dispositif décrit ci-après, voir la figure 8. (in tube creux attache réfrigéré 45 vertical, de même composition que celle des éléments chauffants, est soudé, à son extrémité inférieure, à la plaque-pont 55 reliant les extrémités supérieures de deux éléments ou tubes chauffants successifs 57a, 57b. Il traverse le calorifuge 51 de la voûte 74 pour déboucher au-dessus de la carcasse externe 26 du four sur lequel il prend appui par l'intermédiaire d'une douille isolante 27 à épaulement qui assure son isolement électrique vis-à-vis des structures métalliques de cette carcasse. A l'intérieur de ce tube creux attache réfrigéré 6 ou 45 est logé concentriquement à l'alésage, un tube réfrigérant vertical 33, ouvert à ses deux extrémités. Entre le tube creux attache réfrigéré 45 et le tube réfrigérant intérieur 33 est ainsi créé un espace annulaire 72 qui est obstrué à l'extrémité supérieure 70 du tube creux attache réfrigéré 45. Immédiatement au dessous de cette obstruction, le tube creux attache réfrigéré 45 est muni d'un orifice latéral 42 par où est introduit le fluide de refroidissement de l'air à la température ambiante par exemple.Ce fluide commence par descendre dans l'espace annulaire 72, refroidissant la paroi interne du tube creux attache réfrigéré 45 faisant office d'attache, puis arrive à l'extrémité inférieure 68 du tube creux réfrigérant 33 ; il pénètre dans le tube réfrigérant 33 pour remonter à l'intérieur et finalement sortir par l'extrémité supérieure 34 de ce tube réfrigérant 33. Ce fluide a la même fonction que celui circulant dans le tube cintré en forme d'épingle du premier dispositif objet de la demande de brevet principale nO 81 20 493. Il provoque indirectement un refroidissement de la plaque-pont 55 et des soudures 5 ou 56 de celle-ci avec les deux tubes chauffants 57 avec un cheminement thermique plus direct que celui relevant du premier dispositif à épingle.En effet, l'énergie thermique, dégagée par effet Joule dans la traverse, et les calories amenées par conduction et provenant des tubes chauffants 57, s'écoulent vers le dos de la plaque-pont 55, puis pénètre dans la paroi du tube creux attache réfrigéré 45 et remonte, par le tube réfrigérant 33, jusqu'à ce que le fluide de refroidissement les ait absorbées. Un réglage convenable, fait une fois pour toute, du niveau de l'extrémité inférieure du tube, et le réglage du débit du fluide, permettent de régler la température de la plaque-pont 55 au voisinage de celle du four 1, soit un gain de plusieurs dizaines de degrés, particulièrement bénéfique étant donné le niveau de température où se trouve le métal des plaques-ponts 55. De plus, il n'y a plus de ponctions thermiques parasites comme cela est le cas avec le tube attache en forme d'épingle du premier dispositif où une partie du tube est soumis à l'ambiance du four, atténué par le revêtement calorifuge qui couvre ledit tube attache. Les caractéristiques techniques, décrites ci-dessus, décrivent un élément modulaire chauffant interchangeable 75. Cet élément modulaire chauffant interchangeable 75 se cornpose d'une carcasse 26 ou structure, de deux broches d'amenée du courant 64, de tubes creux attaches réfrigérés 45, de tubes chauffants 57, de plaques-ponts 55, d'isolant incorporé 51. Cet élément modulaire interchangeable 75 permet le remplacement rapide extérieur en cas de panne sans attendre que le four 1 soit refroidi (voir les figures 9 et 10.) REVENDICATIONS 1. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 de la demande de brevet principale nO 81 20493 du 27 Octobre 1981, caractérisé par le fait que les moyens faisant office d'attaches (45) des moyens faisant office de résistances (57) du four industriel (1) fonctionnant à haute température, sont des tubes attaches creux réfrigérés verticaux (45) parcourus par un fluide froid. 2. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le moyen d'attache (45) est en forme de tube creux réfrigéré vertical, qui traverse la voûte (74) composée de la carcasse externe (26) du calorifuge (51) du four (1) et qui est soudé à son extrémité inférieure (68) à la plaque-pont (55) reliant deux tubes chauffants successifs (57). 3. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'on injecte en partie haute, dans l'espace annulaire (72) existant entre le tube creux attache réfrigéré (45) et un tube intérieur réfrigérant (33), un fluide refroidissant qui retourne au circuit externe, à l'attache (45), par ledit tube creux réfrigérant (33). 4. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les tubes creux attaches réfrigérés (45) s'appuient sur les structures externes ou carcasse (26) du four (1) par l'intermédiaire de pièces (27), non conductrices de l'électricité, afin d'assurer l'isolement, desdits tubes creux attaches réfrigérés (45), des structures métalliques du four (1). 5. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait les broches d'amenée de courant (64) comportent les mêmes moyens réfrigérants que les tubes creux attaches réfrigérés (45) dans lesquels circulent du fluide froid. 6. Connexion entre deux tubes chauffants parallèles (57) de résistance de four électrique industriel fonctionnant à haute température selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'elle est réalisée par une plaque-pont (55) dont le profil de raccordement aux dits tubes chauffants assure une répartition homogène des densités de courant dans cette section de raccordement par soudure. 7. Connexion entre deux tubes chauffants parallèles (57) de résistance de four électrique industriel fonctionnant à haute température réalisée par une plaque-pont (55) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 6 caractérisée par le fait que l'égalisation des densités du courant est obtenue par l'égalisation des résistances des chemins électriques empruntés par le courant qui passe d'un tube chauffant (57a) à l'autre (57b), ladite égalisation déterminant le profil de raccordement. 8. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il est constitué d'éléments modulaires (75) interchangeables rapidement sans attendre le refroidissement dudit four. 9. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon l'une quelconque des revendications 1 ou 8 caractérisé par le fait que chaque élément modulaire interchangeable (75) se compose d'une carcasse ou structure (26), de deux broches d'amenée du courant (64), de tubes creux attaches réfrigérés (45), de tubes chauffants (57), de plaques-ponts (55), d'isolant incorporé ou calorifuge (51) ; cet élément modulaire (75) permet le remplacement rapide par l'extérieur en cas de panne sans attendre que le four (1) soit refroidi. 10. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le tube creux chauffant faisant office de résistance (57) est coupé, à son extrémité (60), selon un profil déterminé par le rapport de deux sections droites du tube creux chauffant (57) et de la plaquepont (55). 11. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que ladite plaque-pont équicourant (5S) est centrée de façon à suivre le profil de la revendication 10. 12. Four électrique à haute température, dont les résistances métalliques qui travaillent à haute température sont des tubes verticaux creux chauffants, selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la broche d'amenée de courant (64) est composée d'un tube creux attache réfrigéré (45) servant également au passage du courant et d'un tube (33) réfrigérant ouvert à ses deux extrémités, le tube creux attache réfrigéré (45), fermé à ses deux extrémités est muni d'une ouverture latérale (42) en zone haute où est introduit le fluide réfrigérant ; le fluide descend dans l'espace annulaire entre (45 et 33) où il refroidit le tube attache refrigéré (45), pour ressortir à l'extérieur en remontant dans le tube réfrigérant (33).