Brevet FR2644313A1 — publié le 19900914

L invention concerne un dispositif de chauf- fage électrique par induction d'un fluide contenu dans une conduite comportant une partie en circuit fermé. Dans le cas o l'on effectue un traitement d'un fluide et en particulier d'un fluide conducteur tel qu'yn métal liquide, il peut étre nécessaire d'ef- fectuer le chauffage ou le réchauffage de ce liquide dans une conduite o le fluide circule de manière per- manente ou par intermittence. Dans ce but, on utilise un transformateur dont la partie primaire est constituée par au moins un enroulement électrique disposé autour d une branche d'un circuit magnétique et la partie secondaire, par le circuit fermé constituant une partie de la conduite contenant le fluide conducteur. Ce circuit fermé constituant le secondaire en court circuit du transformateur est parcouru par un courant électrique généré par induction et circulant, soit dans la paroi du conduit, soit dans le fluide, soit à la fois dans le conduit et dans le fluide, selon que le conduit ou le fluide ou encore l'un et l'autre à la fois sont conducteurs de l'électricité. Le conduit et/ou le fluide sont alors soumis à un échauffement par effet 3oule. Il est nécessaire d'obtenir, par un choix judicieux de la forme et de l'emplacement relatif du bobinage primaire et du circuit secondaire, un bon couplage magnétique en réduisant les flux de fuite. Dans la technique antérieure connue, on a proposé un dispositif de chauffage alimenté en courant monophasé constitué par un circuit magnétique fermé ayant une colonne centrale autour de laquelle est dis- posé un enroulement primaire alimenté en courant mono- phasé et deux colonnes latérales.sensiblement-parallé- les à la colonne centrale. La partie en circuit fermé de la conduite est constituée par deux branches reliées à chacune de leurs extrémités à la conduite et constituant-une boucle entourant le bobinage primaire alimenté en cou- rant monophasé. Ce dispositif de réalisation simple présente 1 inconvénient d'être limité en puissance pour les raisons suivantes: - la section hydraulique de la conduite doit être suf- fisamment élevée pour que le débit de fluide nécessai- re à l'évacuation de la puissance de chauffage puisse être établi, d'autre part cette section doit être limitée en raison d'impératifs liés au bon fonctionnement élec- trique du dispositif._ En effet, l'inductance de fuites magnétiques prend une importance d'autant plus élevée par rapport à la résistance électrique de la boucle que la section de la conduite est élevée. Un tel dispositif de chauffage ou de ré- chauffage alimenté en courant monophasé est donc limi- té en puissance, ce qui peut être un inconvénient im- portant dans certaines applications. Dans le -cas des réacteurs nucléaires à neu- trons rapides utilisant du sodium comme fluide d'é- change thermique, il est nécessaire d'assurer un ré- chauffage du sodium liquide dans certaines parties de l'installation et en particulier, dans le circuit se- condaire, au voisinage des générateurs de vapeur. Par exemple, il est nécessaire de réchauffer le sodium li- quide dans une conduite en dérivation sur la conduite de sortie du sodium liquide du générateur de vapeur, sur-laquelle est disposé un détecteur d'hydrogène des- tiné à déclencher une alarme lorsqu'une fuite d'eau sur l'un des tubes du générateur de vapeur se traduit par la présence d'hydrogène dans le sodium, à la sor- tie du générateur de vapeur. La détection d'hydrogène qui est effectuée par séparation de l'hydrogène conte- nu dans le sodium nécessite en effet le maintien de la température du sodium à une certaine valeur assurant un fonctionnement satisfaisant du détecteur. Il est nécessaire également de maintenir la température du sodium liquide au voisinage d'une va- leur déterminée, dans certaines parties du circuit de sodium du réacteur, pour éviter des chocs thermiques. Dans ce cas, le fluide est un métal liquide bon conducteur de l'électricité et la puissance de chauffage requise peut être de l'ordre d'une dizaine ou de quelques dizaines de kW. Il est alors difficile sinon impossible d obtenir cette puissance de chauffe en alimentant le transformateur en courant monophasé à la fréquence industrielle du réseau. On a donc proposé d'utiliser des transfor- mateurs alimentés en courant triphasé afin d'éviter une charge trop déséquilibrée du réseau de distribu- tion. Dans ce cas, le circuit magnétique du trans- formateur est constitué par un cadre comportant trois colonnes sensiblement parallèles autour de chacune desquelles est disposé un enroulement électrique relié à l'une des phases de la source de courant triphasé. La conduite renfermant le liquide conducteur, tel que du sodium dans le 'cas des réacteurs nucléaires à neu- trons rapides, comporte trois parties en dérivation constituées chacune par une ou plusieurs spires d'un élément tubulaire recevant le liquide à réchauffer. Chacune des spires d'un élément tubulaire est disposée autour d'un enroulement du transformateur alimenté en courant électrique à partir de l'une des phases de la source de courant triphasé. Un tel dispositif est d'une réalisation re- lativement complexe, en ce qui concerne la structure de la conduite et entraîne des difficultés en ce qui concerne le calorifugeage de cette conduite. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de chauffage électrique par induction d un fluide contenu dans une conduite comportant une partie en circuit fermé, constitué par un transforma- teur ayant au moins deux enroulements primaires reliés à une source de courant triphasé et une partie secon- daire constituée par le circuit fermé renfermant du fluide conducteur, ce dispositif présentant un très bon rendement pour des puissances de chauffage impor- tantes et étant d'une structure simple permettant de réaliser facilement le calorifugeage de la conduite, dans sa partie en circuit fermé. Dans ce but, le transformateur comporte un circuit magnétique en forme de cadre fermé ayant qua- tre colonnes parallèles, deux enroulements primaires disposés chacun autour d'une colonne interne du cadre et reliés par une extrémité à une première phase et à une troisième phase respectivement et. par leur autre extrémité, à une seconde phase de la source de courant triphasé, la conduite comportant un circuit fermé constitué par trois branches en dérivation passant chacune dans un intervalle entre deux colonnes du cadre du circuit ma- gnétique. Afin de bien faire comprendre l'invention-, on va maintenant décrire., à titre d'exemples non limi- tatifs, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispositif de réchauffage suivant l'art antérieur alimenté en courant monophase, un dispositif de réchauffage suivant l'art antérieur alimenté en courant triphasé et un dispositif de chauffage suivant l'invention, alimenté en courant triphasé. La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif suivant l'art antérieur alimenté en courant monophasé. La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif suivant l'art antérieur alimenté en courant triphasé. La figure 3 est une vue en perspective d'un dispositif suivant l'invention alimenté en courant t5 triphasé. La figure 4 est une vue en perspective ana- logue à la figure 3 montrant la circulation des cou- rants et des flux mis en oeuvre au cours du réchauffa- ge en utilisant le dispositif suivant l'invention. Sur la figure 1, on voit un dispositif de réchauffage désigné de manière générale par le repère 1 constitué par un circuit magnétique 2 en forme de cadre à section rectangulaire présentant deux colonnes latérales 3 et 4 et une colonne centrale 5 sensible- ment parallèles entre elles. Le circuit magnétique 2 comporte également un enroulement électrique 6 dont les extrémités 7 sont reliées à une source de courant monophasé. La conduite 8 recevant le fluide à réchauf- fer, par exemple du métal liquide, comporte deux bran- ches 10 et 10' passant chacune entre une colonne 3 (ou 4) du circuit 2 et la colonne centrale 5 entourée par l'enroulement 6. Les deux branches 10 et 10' reliées à la conduite 8 par des raccords en T tels que 9 forment les deux parties d'une boucle en circuit fermé consti- tuant le secondaire du transformateur dont l'enroule- ment du circuit magnétique 2 constitue la partie pri- maire. Comme il a été expliqué plus haut, un tel dispositif, en particulier dans le cas du réchauffage d un métal liquide nécessitant une puissance importan- te. peut s'avérer tout-à-fait insuffisant. Sur la figure 2, on a représenté un second dispositif suivant l'art antérieur utilisant une sour- ce de courant triphasé. Ce dispositif désigné de manière générale par le repère 11 comporte un circuit magnétique 12 sous la forme d'un cadre à section rectangulaire com- portant trois colonnes sensiblement parallèles 13, 14 et 15. Autour de chacune des colonnes 13, 14 et 15. est disposé un enroulement électrique 16. chacun des enroulements 16a, 16b et 16c étant alimenté à partir d'une phase différente d'une source de courant tripha- sé. La conduite 18 renfermant le fluide dont on effectue le réchauffage, généralement du métal liqui- de, comporte une partie d'entrée 18a recevant le flui- de à réchauffer et une partie de sortie 18b récupérant le fluide réchauffé à la sortie du dispositif 11. La conduite comporte de plus une partie en circuit fermé constituée par trois éléments tubulaires 19a, 19b et 19c raccordés en dérivation entre la par- tie d'entrée 18a de la conduite 18 et la partie de sortie 18b et entourant chacun un enroulement (respec- tivement 16a, 16b et 16c), en constituant deux spires autour de l'enroulement correspondant. Les éléments 19a, 19b et 19c en dérivation constituent le secondaire en court-circuit du-disposi- tif de réchauffage. 26 4 4 3 1 3 Comme il est visible sur la figure 2. ce dispositif présente une certaine complexité en ce qui concerne la partie en circuit fermé de la conduite qui est en trois parties. La construction du dispositif nécessite donc des opérations relativement longues et coûteuses. De plus, le calorifugeage de la conduite est très difficile à réaliser. Sur la figure 3, on voit un dispositif de réchauffage suivant l'invention désigné de manière gé- nérale par le repère 21.' Ce dispositif de chauffage est constitué par un circuit magnétique 22 à section rectangulaire comportant quatre colonnes 23. 24, 25a, b sensiblement parallèles dont deux colonnes 23 et 24 fermant le cadre extérieur et deux colonnes cen- trales 25a et 25b. Autour de chacune des colonnes cen- trales 25a et 25b est disposé un enroulement primaire. respectivement 26a et 26b. Les enroulements 26a et 26b sont reliés à une source de courant triphasé 27 assurant leur ali- mentation en courant électrique. Le couplage des en- roulements 26a et 26b est réalisé suivant une dispo- sition en triangle ouvert, l'une des extrémités de l'enroulement 26a étant reliée à la phase P1 de la source 27. l'autre extrémité de l'enroulement 26a à la phase P2. cependant que la première extrémité de l'en- roulement 26b est reliée à la phase P2 et que la se- conde extrémité de l'enroulement 26b est reliée à la phase P3. On obtient ainsi une alimentation équilibrée des enroulements primaires 26a et 26b. La conduite 28 recevant le fluide à réchauf- fer comporte une partie d'entrée 28a recevant le flui- de i réchauffer et une partie de sortie 28b récupérant le fluide réchauffé à la sortie du dispositif 21. La partie en circuit fermé de la conduite 28 est constituée par trois branches tubulaires 29a, 29b et 29c reliées en dérivation, à leur extrémité, par l'intermédiaire de raccords 30a et 30b respectivement, à la partie d'entrée 28a et à la partie de sortie 28b de la conduite 28. Les trois branches tubulaires 29a, 29b et 29c en dérivation constituent la partie en circuit fermé de la conduite 28. Chacune des branches 2-9a, 29b et 29c traver- se une fenêtre du circuit magnétique 22 comprise entre deux colonnes successives de ce circuit magnétique. L'une au moins des colonnes délimitant les fenêtres de passage des branches 29a, 29b et 29c est entourée par l'un des enroulements primaires 26a et 26b. Les branches tubulaires 29a, 29b et 29c com- portent deux coudes et présentent la forme générale d'un S. Les trois branches 29a, 29b et 29c ont une forme et une longueur sensiblement identique. Ces trois branches constituent la partie se- condaire en court-circuit du dispositif de réchauffage réalisé sous la forme d un transformateur alimenté en courant triphasé. Comme il est visible sur la figure 4, la source de courant triphasé fournit un courant d'inten- sité I1 sur la phase P1, un courant d'intensité I2 sur la phase P2 et un courant d'intensité I3 sur la phase P3. Un flux magnétique t1 est engendré dans le cir- cuit magnétique entre les colonnes 23 et 25a, un flux- magnétique d'intensité 2 entre les colonnes 25a et b et un flux magnétique d'intensité 3 entre les - colonnes 25b et 24. Un courant électrique est engendré par in- duction dans chacune des branches 29a, 29b et 29c. 26 4 4 3 1 3 La résistance des enroulements primaires étant faible et un bon couplage étant réalisé entre la partie secondaire et la partie primaire grâce à la forme des branches du secondaire, on peut négliger les pertes électriques dans les enroulements primaires et les fuites magnétiques. pour calculer la force élec- tromotrice induite dans chacune des branches 29a. 29b et 29c et les courants induits. Cette force électro- motrice est sensiblement égale à chacune des tensions simples du réseau triphasé divisée par le nombre N de spires de chacun des enroulements primaires. On suppo- sera que les enroulements primaires 26a et 26b compor- tent le même nombre N de spires. Il en résulte que les courants induits dans les branches 29a. 29b et 29c sont égaux respectivement NI1. NI2 et NI3. Dans le cas du mode de réalisation représen- té sur les figures 3 et 4, les trois branches 29a. 29b et 29c présentent des longueurs déployées et des sec- tions sensiblement identiques. Leurs résistances élec- triques sont donc égales. De plus, la section de pas- sage étant la même pour les trois branches 29a. 29b et 29c. le débit total du fluide de la conduite 28 se ré- partit de façon sensiblement équilibrée entre les trois branches 29a. 29b et 29c. La forme de ces bran- ches permet d'obtenir un excellent couplage magnétique entre le bobinage primaire et le circuit secondaire. En négligeant le courant magnétisant, l'in- tensité absorbée sur chacun des fils de ligne reliés à une phase du réseau est sensiblement égale à l'inten- sité parcourant chacune des branches 29a, 29b et 29c de la conduite. divisée. par le nombre N de spires de chacune des bobines primaires. Les courants NIl, NI2 et NI3 circulent soit dans le fluide contenu dans la branche correspondante si le fluide est un fluide conducteur, soit dans la branche tubulaire si celle-ci est réalisée en matière conductrice, soit à la fois dans la branche tubulaire et dans le fluide si l'un et I'autre sont conducteurs de l'électricité. Ces courants NIl, NI2 et NI3 engen- drent un dégagement de chaleur par effet Joule permet- tant le chauffage ou le réchauffage du fluide remplis- sant la conduite 28. Ce fluide est en circulation continue ou intermittente dans la conduite. La forme de la partie secondaire du disposi- tif de réchauffage est particulièrement simple et cha- cune des branches 29a, 29b et 29c de cette partie se- condaire traverse une fois et une seule chacune des fenitres du circuit magnétique comprise entre deux co- lonnes successives. De plus, la forme en S de chacune des branches, bien que très simple, permet un excel- lent couplage entre la partie primaire et la partie secondaire du dispositif de réchauffage. Le calorifugeage de la conduite 28, dans sa partie en circuit fermé, peut être réalisé sans diffi- cultés, dans la mesure o les branches sont de forme simple et ne sont pas enroulées sous forme de spires autour des enroulements primaires. - On a pu montrer qu'à puissance de chauffe égale et avec un fluide à réchauffer de nature identi- que, le dispositif suivant l'invention offre au fluide une section de passage considérablement plus élevée que dans le cas d'un conduit d'un dispositif de ré- chauffage alimenté en courant monophasé tel que décrit en se référant à la figure 1. L'invention ne se limite pas au mode de réa- lisation qui a été décrit. - 1 1 C'est ainsi qu'on peut imaginer des branches constituant la partie en circuit fermé de la conduite et le secondaire du transformateur d'une forme diffé- rente de celle qui a été décrite. On pourra adapter la section de la conduite contenant le fluide à réchauffer et la section des branches du secondaire au débit du fluide à réchauf- fer, compte tenu de la puissance de chauffage néces- saire et des caractéristiques de la source de courant triphasé. Enfin, le dispositif de chauffage suivant l'invention peut s'appliquer non seulement au réchauf- fage de métaux liquides tels que le sodium constituant le fluide caloporteur d'un réacteur nucléaire à neu- trons rapides ou tels que de l'aluminium dont on réa- lise la coulée.dans une installation de moulage, mais encore au réchauffage d'un liquide quelconque conduc- teur ou non conducteur de l'électricité utilisé dans un processus nécessitant son réchauffage ou son main- tien- en température. L'invention peut en particulier trouver des applications dans le cadre de l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de chauffage électrique par induction d'un fluide contenu dans une conduite '(26) comportant une partie en circuit fermé (29a, 29b. 29c), constitué par un transformateur (21) ayant au moins deux enroulements primaires (26a, 26b) reliés à une source de courant triphasé (27) et une partie se- condaire constituée par le circuit fermé (29a, 29b. 29c) renfermant le fluide conducteur, caractérisé par le fait que le transformateur (21) comporte un circuit magnétique (22) en forme de cadre fermé ayant quatre colonnes parallèles (23, 24, 25a, 25b), deux enroule- ments primaires (26a, 26b) disposés chacun autour d une colonne du cadre (22) et reliés par une extrémi- té à une première phase (P1) et à une troisième phase (P3) respectivement et par leur autre extrémité à une seconde phase (P2) de la source (27) de courant tri- phasé, la conduite (28) comportant un circuit fermé constitué par trois branches (29a, 29b, 29c) en dérivation pas- sant chacune dans un intervalle entre deux colonnes (23, 24, 25a, 25b) du cadre (Z2) du circuit magnéti- que. 2.- Dispositif suivant la revendication 1. caractérisé par le fait que les trois branches tubu- laires (29a, 29b, 29c) de la conduite (28) présentent des longueurs et sections sensiblement égales entre elles. 3.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2. caractérisé par le fait que chacune des branches (29a,- 29b, 29c) passe une fois et une seule dans chacun des intervalles situés entre deux colonnes (23, 24, 25a. 25b) du circuit magnétique (22). 4.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3', caractérisé par le fait que chacune des branches tubulaires (29a, 29b, 29c) est constituée par un tube comportant deux Coudes, de ma- nière à présenter la forme générale d'un S. S.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4. caractérisé par le fait que le cadre du circuit magnétique (22) présente un contour extérieur de forme rectangulaire, deux colonnes (23, 24) correspondant aux petits côtés de fermeture du cadre (22) et deux colonnes centrales (25a. 25b) étant intercalées entre les- deux grands côtés du cadre et entourées par les enroulements primaires (26a, 26b).