Brevet FR2632475A1 — publié le 19891208

La présente invention a trait d'une façon générale au chauffage de fluides et concerne plus particulièrement un dispositif de chauffage d'un fluide circulant dans un tube chauffé par effet Joule. Dans un tel dispositif de chauffage, c'est un courant électrique circulant dans le tube qui échauffe celui-ci par effet Joule, et le tube échauffe à son tour le fluide qui y circule. Un tel dispositif est utilisé notamment à chaque fois que lton doit effectuer un chauffage extrêmement homogène du fluide, notamment d'un fluide thermosensible. I1 comprend classiquement un ensemble de tubes en un matériau thermiquement conducteur et de résistivité électrique donnée, conformés en hélice par cintrage et entrelacés afin de minimiser leur encombrement. Ainsi, sur la plus grande partie de leur longueur, les tubes présentent une courbure marquée. Ceci est désavantageux en ce que les courants ne se répartissent pas uniformément dans la section du tube, ceci étant an d'une part, à la différence de longueur entre chacune des génératrices de l'hélice et d'autre part, aux différences d'épaisseur de la section du tube engendrées lors du cintrage. Ainsi, la résistance électrique du tube est sensiblement plus faible à l'intérieur de la courbure qu'à l'extérieur, si bien que,la tension d'alimentation étant la même pour ces deux trajets, la chaleur fournie au fluide est plus importante à l'intérieur. En outre, le cintrage du tube peut provoquer des phénomènes locaux d'écrouissage, modifiant la résistivité et affectant encore l'homogénéité de l'application de chaleur. Enfin et surtout, dans un serpentin en hélice ou plus généralement dans une partie courbe d'un tube, la force centrifuge provoque un écoulement secondaire du fluide dans une direction perpendiculaire à l'écoulement principal. Il en résulte une grande hétérogénéité de l'échange thermique entre le tube et le fluide. Plus précisément, des études ont montré que le coefficient d'échange pouvait varier, dans une même section, dans un rapport compris entre environ 1:2 et 1:5, selon le rayon de courbure et la vitesse du fluide considérés. Ce phénomène vient désavantageusement aggra- ver les problèmes mentionnés ci-dessus, jusqu'd en être prédominant. La présente invention vise à pallier ces inconvénients de la technique antérieure et à proposer un dispositif de chauffage qui tout en pouvant conserver un encombrement raisonnable, permette d'appliquer la chaleur au fluide d'une manière extrêmement homogène. En corollaire l'invention permettra un meilleur contrôle de la densité de flux thermique transmise au fluide par la paroi du tube, et une plus grande facilité de régulation. L'invention concerne à cet effet un dispositif de chauffage d'un fluide, du type comportant au moins un tube électriquement conducteur comportant au moins une partie droite et au moins une partie courbe dans lequel le fluide est amené à circuler et traversé par un courant électrique provoquant son échauffement par effet Joule et par suite l'échauffement du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diminuer ou supprimer le courant dans la ou lesdites parties courbes. Des aspects préférés du dispositif de chauffage de l'invention sont les suivants - les moyens pour diminuer ou supprimer le courant comprennent un élément électriquement conducteur associé à chaque partie courbe et mettant ses deux extrémités en court-circuit, - ledit élément conducteur tient lieu de borne d'alimentation en courant, - il comprend un collecteur d'entrée et un collecteur de sortie pour le fluide, ces collecteurs étant électriquement conducteurs et constituant une autre borne d'alimentation en courant, - il comprend une pluralité de tubes chauffants dont au moins une partie est en fcrrre de "U" et comprend deux branches droites essentiellement parallèles reliées aux deux collecteurs et une partie essentiellement semi-circulaire à l'op- posé desdits collecteurs, - chaque élément conducteur présente la forme d'une plaque traversée par letube associé à sa transition entre les branches droites respectives et la partie semi-circulaire et comportant un prolongement latéral pour le raccordement électrique, - il comprend trois tubes chauffants, les trois plaques associées sont reliées à trois-phases d'une alimentation triphasée et les deux collecteurs sont reliés ensemble au nitre de ladite alimentation, - les moyens pour diminuer ou supprimer le courant comprennent une section plus forte du ou des tubes dans la ou les régions courbes. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention- apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue en élévation de face d'un dispositif de chauffage selon l'invention, à l'exception de ses parties d'alimentation électrique, - la figure 2 est une vue en élévation de côté du dispositif de la figure-l, - la figure 3 est une vue schématique de l'agencement hydraulique des tubes chauffants du dispositif des figures 1 et 2, et - la figure 4 est un schéma de l'alimentation électrique des tubes du dispositif des figures 1 à 3. En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, un dispositif à tubes chauffants conforme à la présente invention comprend tout d'abord un collecteur 10 d'entrée de fluide à chauffer et un collecteur 12 de sortie du fluide chauffé, tous deux en formes de tubes métalliques de même diamètre, fermés à une extrémité. Les deux collec teurs s'étendent parallèlement l'un à l'autre, avec un écartement prédéterminé. Le dispositif comprend en outre un ensemble de tubes métalliques chauffants 14, ici au nombre de trois, chacun en forme de "U't renversé, comprenant deux branches verticales parallèles 14a, 14b de hauteur importante re liées entre elles par une partie supérieure 14c en demi cercle de rayon de courbure relativement faible. Les extrémités inférieures des branches 14a, 14b de chaque tube 14 sont raccordées respectivement au collecteur 10 et au collecteur 12 par l'intermédiaire de douilles électriquement conductrices 16 dans lesquelles les dites extrémités sont emmanchées et soudées. On trouve en outre, régulièrement répartis sur la hauteur des tubes chauffants 14, des éléments de support et d'entretoisement 18 comprenant des barreaux transversaux isolants 18a reliés entre eux par des tiges 18b. Enfin chaque tube comprend, dans sa région supérieure et de préférence juste à la transition entre les parties droites 14a, 14b et la partie courbe 14c, une plaque métallique 20 d'alimentation, en bon contact électrique avec le tube de part et d'autre de ladite partie courbe 14c, par l'intermédiaire de douilles métalliques 17 dans lesquelles le tube est emmanché et soudé. La plaque 20 présente un prolongement 20a (vers la droite sur la figure 1) sur une longueur substantielle, destiné au raccordement électrique du tube avec un câble dlectri- que d'alimentation (non représenté). Le dispositif de chauffage de fluide de la présente invention fonctionne de la manière suivante : le fluide à chauffer, par exemple un fluide thermosensible devant être chauffé d'une manière extrêmement homogène, avec une densité de flux thermique faible et contrôlée avec précision, est amené à circuler à un débit prédéterminé dans les trois tubes 14, via les collecteurs 10, 12. En même temps, une tension d'alimentation électrique, continue ou alternative, est appliquée à chaque tube, entre la plaque supérieure 20 et les collecteurs 10, 12, en contact électrique avec les extrémités inférieures des parties droites 14a, 14b de chaque tube, lesdits collecteurs formant masse. Ainsi, l'on engendre dans lesdites parties droites 14a, 14b un échauffement par effet Joule, la chaleur produite étant appliquée d'une manière extrêmement uniforme au fluide en circulation. Du fait que la section et la structure du -matériau des tubes est constante sur toute la longueur des parties droites 14a, 14b, la densité de flux thermique appliquée au fluide par conduction est extrêmement homogène, et peut être contrôlée, par un système de régulation approprié, dont la conception sort du cadre de la présente invention, de manière tout à fait précise. Selon l'aspect essentiel de la présente invention, les deux extrémités de la partie circulaire 14c du tube sont à tout instant au même potentiel, si-bien qu'aucun courant ne traverse cette partie. Ainsi il-n'y a pas d'apport de chaleur au fluide dans cette partie courbe, et les problèmes d'hétérogénéité -du chauffage dans ce type de partie courbe cintrée, comme expliq en introduction, sont entièrement supprimés. Bien entendu, d'autres moyens que ceux décrits ci-dessus peuvent être utilisés pour supprimer ou tout au moins fortement atténuer l'effet Joule dans les régions de forte courbure d'un tube chauffant. Par exemple, dans un tubeven serpentin comportant une pluralité de demi-tours, les extrémités de chaque partie courbe peuvent être courtcircuitées par une plaque électriquement conductrice, une telle plaque pouvant ou non être utilisée pour l'amenée du courant électrique. De même, plusieurs demi-tours alignés d'un serpentin peuvent être court-circuités avec une plaque commune, tandis que les demi-tours opposés seront courtcircuités à l'aide d'une autre plaque commune, la tension d'alimentation étant appliquée entre ces deux plaques. En outre, au lieu et place de ce type de plaque rapportée sur le tube chauffant, une autre solution peut consister à donner au tube (ou aux tubes) dans sa régicÏl courbe ou dans chacune de ses régions courbes une section bien supérieure à celle de ses parties droites, et présentant done une résistance électrique bien moindre. Et dans la mesure où le courant qui traverse un tube entre ses deux extrémités est constant, la chaleur engendrée par effet Joule dans cette partie courbe de moindre résistance sera ainsi bien inférieure, jusqu'S en être négligeable. On a représenté sur la figure 3 l'agencement hydraulique équivalent du dispositif de chauffage des figures 1 et 2. Chacun des tubes 14 montés en parallèle entre les collecteurs 10, 12 constitue en pratique deux tubes chauffants 14a,- 14b montés en série du point de vue hydraulique. La figure 4 illustre le schéma électrique du dispositif chauffant. Deux tubes en série associés 14a, 14b sont, du point de vue électrique, alimentés en parallèle entre une phase respective et le neutre d'une alimentation basse tension alternative triphasée. Les collecteurs 10, 12 sont à cet effet électriquement conducteurs et reliés l'un et l'autre au neutre de l'alimentation. Les parties droites 14a, 14b de chaque tube présentent toutes, par conception, une même résistance électrique Rt qui détermine, avec la tension d'alimentation V, la densité du flux thermique appliquée au fluide. D'autres avantages de l'agencement à tubes chauffants illustré sur les figures 1 et 2 sont les suivants: tout d'abord, les parties de raccordement électrique 20a des plaques 20 formant bornes d'alimentation sont éloignées des tubes respectifs proprement-dits, si bien que l''on évite les surchauffes locales qui affecteraient la régularité de l'application de chaleur En outre,les tubes sont suffisamment espacés pour éviter tout phénomène de variation de la répartition du courant dans la section des tubes par inductance mutuelle. EXEMPLE On a construit un dispositif de chauffage de fluide comme représenté sur les figures 1 et 2, selon les caractéristiques ci-dessous Puissance dissipée par effet Joule : 100 kw Alimentation : 48V alternatif triphasé Diamètre extérieur des tubes : 13 mm Epaisseur de paroi des tubes : 0,5 mm Nombre de sections droites de tubes : 6 Longueur des sections droites : 1,2 m Rayon des sections courbes : 87,5 mm Matériau des tubes : INOX 316 L Longueur des plaques 20 : 425 mm Un tel dispositif a permis dteffectuer un chauffage parfaitement homogène et contrôlable de fluides gazeux ou liquides dans une vaste gamme de températures. Il trouve application dans de nombreux domaines, et en particulier pour le chauffage de fluides thermosensibles, chimiques, biphasiques,... Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus et représenté sur les dessins, mais l'homme de l'art saura y apporter toute-variante ou modification conforme à son esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage d'un fluide, du type comportant au moins un tube électriquement conducteur (14) comportant au moins une partie droite (14a, 14b) et au moins une partie courbe (14c), dans lequel le fluide est amené à circuler et traversé par un courant électrique provoquant son échauffement par effet Joule et par suite l'échauffement du fluide, caractérisé en ce qu' il comprend des moyens (20) pour diminuer ou supprimer le courant dans la ou lesdites parties courbes (14c). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour diminuer ou supprimer le courant comprennent un élément électriquement conducteur (20) associé à chaque partie courbe (14c) et mettant ses deux extrémités en court-circuit. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément conducteur (20) tient lieu de borne d'alimentation en courant. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un collecteur d'entrée (10) et un collecteur de sortie (12) pour le fluide, ces collecteurs étant électriquement conducteurs et constituant une autre borne d'alimentation en courant. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de tubes chauffants (14) dont au moins une partie est en forme de "U" et comprend deux branches droites essentiellement parallèles (14a, 14b) reliées aux deux collecteurs (10, 12) et une partie essentiellement semi-circulaire (14c) à l'opposé desdits collecteurs. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément conducteur présente la forme d'une plaque (20) traversée par le tube associé (141 à sa transition entre les branches droites respectives (14a, 14b) et la partie semi-circulaire (14c) et comportent un prolongement latéral (20a) pour le raccordement électrique. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend trois tubes chauffants (14), en ce que les trois plaques (20) associées sont reliées à trois phases d'une alimentation triphasée et en ce que les deux collecteurs sont reliés ensemble au neutre de ladite alimentation. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour diminuer ou supprimer le courant comprennent une section plus forte du tube des tubes dans la ou les régions courbes.