Brevet FR2694994A1 — publié le 19940225

La présente invention concerne un dispositif de chauffage électrique par induction d'un fluide conducteur d'électricité. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse notamment dans le domaine de la métallurgie-sidérurgie, de la chimie, ou encore de l'industrie agro-alimentaire, pour le chauffage de fluides de nature corrosive. Dans le domaine de la métallurgie-sidérurgie, on utilise notamment des acides ou des mélanges d'acides pour décaper des pièces de métal. Afin d'augmenter l'efficacité des produits décapants à base d'acides ou de mélange d'acides, on est amené à chauffer ces produits à des températures comprises environ entre 35 et 950C, ou plus selon les cas. De même, dans le domaine de la chimie, on utilise très souvent des solutions acides ou basiques à des températures supérieures à la température ambiante. Par exemple, la distillation d'un mélange de constituants chimiques en solution est obtenue par chauffage dudit mélange jusqu'à une température d'ébullition du mélange. Enfin, dans le domaine de l'agro-alimentaire, on est amené à chauffer des solutions lors d'opérations de cuisson et/ou de pasteurisation-stérilisation. Actuellement, on connaît de l'état de la technique, différents dispositifs de chauffage électrique dont aucun n'est satisfaisant. Ainsi, on connaît un dispositif de chauffage électrique indirect comportant une paroi métallique chauffée et placée au contact du fluide à chauffer, ladite paroi chauffée formant alors une surface d'échange de chaleur permettant de chauffer ledit fluide. Un inconvénient majeur d'un tel dispositif connu, réside dans le fait que le fluide au contact de la paroi métallique, est porté à une température supérieure à celle recherchée. Dans le cas où les produits à chauffer sont particulièrement sensibles aux hautes températures, comme par exemple, les produits agro-alimentaires, cette surchauffe entraîne une détérioration des produits chauffés. En outre, on connaît un dispositif de chauffage électrique direct, comportant deux électrodes métalliques plongées dans le fluide à chauffer et reliées à un générateur de courant, permettant ainsi de chauffer le fluide, jouant le rôle de résistance, par conduction du courant. L'inconvénient d'un tel dispositif est qu'il ne peut être utilisé pour chauffer des fluides corrosifs à l'égard notamment des métaux. En effet, ces fluides corrosifs ont tendance à attaquer lesdites électrodes métalliques et à les détruire. Enfin, on connaît un dispositif de chauffage par voie électromagnétique permettant de chauffer des fluides présentant une très forte conductivité électrique. Ce dispositif connu, comporte un solénolde alimenté par un courant périodique à très haute fréquence et dans lequel est placé le fluide à chauffer. Ce fluide est alors le siège de courants induits qui provoquent l'échauffement dudit fluide. L'inconvénient majeur d'un tel dispositif est qu'il est très peu performant et coûteux. En effet, les fluides très conducteurs présentent une faible conductivité électrique par rapport aux métaux, et l'intensité des courants induits doit être très importante pour chauffer lesdits fluides. Sachant que l'intensité du courant induit est d'autant plus importante que les variations du courant inducteur sont plus rapides, ledit dispositif doit mettre en oeuvre des courants inducteurs à des fréquences très élevées de l'ordre de 0,1 à 10 MHZ faisant appel à des convertisseurs haute fréquence présentant de faible rendement de l'ordre de 50 à 60 %. De plus, les courants électriques inducteurs circulant dans le solénoïde étant importants, ils génèrent des pertes importantes. Finalement, ce dispositif de chauffage connu doit mettre en oeuvre une grande énergie électromagnétique pour générer une énergie de chauffage active très faible. Aussi, le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de chauffage électrique par induction d'un fluide conducteur de courant, fonctionnant à moyenne fréquence autorisant la mise en oeuvre d'un convertisseur de fréquence plus performant, permettant de diminuer l'intensité et les pertes de courant, ainsi que la proportion de l'énergie magnétique mise en oeuvre par rapport à l'énergie de chauffage obtenue. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention en ce que le dispositif de chauffage comprend - un transformateur comportant un circuit magnétique fermé en forme de cadre comprenant au moins une colonne de chauffage, - au moins un inducteur constitué par un bobinage disposé autour du transformateur et alimenté par une tension électrique qui varie de façon périodique de telle sorte que ledit inducteur engendre un flux magnétique dans ledit circuit magnétique, - au moins une cuve contenant ledit fluide à chauffer, entourant au moins une colonne de chauffage du transformateur de telle façon que ledit circuit magnétique chauffe ledit fluide en créant dans ledit fluide des courants induits. Ainsi, selon l'invention, ledit dispositif comporte un transformateur qui permet de canaliser et de transporter le flux magnétique créé dans l'inducteur. De ce fait, il permet de renforcer l'effet de l'inducteur et d'engendrer une f.e.m (force électromotrice) induite assez importante dans ledit fluide pour le chauffer. En concentrant les lignes de champs magnétiques créées par l'inducteur, dans ledit circuit magnétique fermé, on diminue considérablement les pertes de courant et donc l'intensité du courant inducteur utile. De ce fait, ledit dispositif de chauffage selon l'invention fonctionne à moyenne fréquence en utilisant un convertisseur de fréquence performant présentant un rendement de l'ordre de 85 à 95 %. En outre, le dispositif selon l'invention est plus compact. Selon l'invention, chaque cuve est constituée par un matériau isolant. En effet, la colonne de chauffage dudit transformateur baignant directement dans le fluide à chauffer, la cuve ne participe pas du tout au chauffage et peut avantageusement être constituée par un matériau inerte du point de vue magnétique, tel que le PTFE (Polytétrafluoroéthylène) ou le PVDF (Polyvinyldifluoré) ou encore le verre. Selon un mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, chaque cuve comporte des moyens d'entrée et de sortie dudit fluide dans ladite cuve de manière à créer au moins une veine d'écoulement dudit fluide autour d'au moins une colonne de chauffage, ladite veine d'écoulement étant perpendiculaire à ladite colonne de chauffage. Selon une variante du mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, chaque cuve comporte des moyens d'entrée et de sortie dudit fluide dans ladite cuve de manière à créer au moins une veine d'écoulement dudit fluide, parallèle à au moins une colonne de chauffage. Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit transformateur comporte un circuit magnétique fermé en forme de cadre présentant deux colonnes de chauffage sensiblement parallèles, parmi lesquelles se trouve au moins une colonne autour de laquelle est entouré un bobinage. En outre, selon l'invention, afin de canaliser avec une meilleure efficacité le flux magnétique créé par le bobinage, il y a avantage à ce que le transformateur comporte un circuit magnétique fermé en forme de cadre présentant trois colonnes de chauffage, deux colonnes latérales de section S et une colonne centrale de section double de ladite section S, parmi lesquelles se trouve au moins une colonne autour de laquelle est entouré un bobinage. De même, selon un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, ledit transformateur comporte un circuit magnétique comprenant une colonne de chauffage centrale présentant une section S1 et une pluralité de n colonnes de chauffage périphériques disposées radialement et présentant une section n fois plus faible que ladite section S1, ledit circuit magnétique comportant parmi lesdites colonnes au moins une colonne autour de laquelle est entouré un bobinage. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. - La figure 1 est un schéma en perspective d'un premier mode - de réalisation d'un dispositif selon l'invention. - La figure 2 est une vue en coupe selon le plan A-A du dispositif de la figure 1. - La figure 3 est un schéma en perspective d'un transformateur d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. - La figure 4 est une vue en coupe selon le plan B-B du dispositif de la figure 1. - La figure 5 est une vue partielle de dessus du troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 6 est une vue en coupe selon le plan C-C du dispositif de la figure 5. - La figure 7 est un schéma en perspective d'un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 8 est une vue en coupe selon le plan D-D du dispositif de la figure 7. - La figure 9a est une vue partielle de dessus d'un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 9b est une vue partielle de dessus d'un sixième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. - La figure 10 est une vue partielle de dessus d'un septième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. En référence à la figure 1, on a représenté un dispositif de chauffage électrique d'un fluide 10 conducteur d'électricité présentant de préférence une conductivité supérieure à 1 Siemens/mètre. Ce dispositif de chauffage comprend un transformateur comportant un circuit magnétique 100 fermé en forme de cadre, ici un cadre carré de section S, comprenant deux colonnes de chauffage 101, 102 sensiblement parallèles. En outre, le dispositif de chauffage comporte un inducteur constitué par un bobinage 200, appelé bobinage primaire, disposé autour d'une colonne de chauffage 101 du transformateur. Cette colonne de chauffage 101 comportant l'inducteur sera appelée par la suite pour plus de compréhension, colonne d'induction. Par contre, chaque colonne ne portant pas le bobinage restera sous la dénomination colonne de chauffage.Le bobinage primaire 200 comportant N spires, est alimenté par un convertisseur de fréquence non représenté délivrant une tension d'amplitude U variant de façon périodique dans le temps à une pulsation w = 2 f (où f est la fréquence), de telle sorte que ledit inducteur engendre un champ magnétique B dans ledit circuit magnétique 10, le flux magnétique résultant s'exprimant comme le produit scalaire cP = NBS (où S est la section de la colonne d'induction, ici la section du cadre magnétique). Il est intéressant de noter que les paramètres précités N,U, w,B, et S satisfont à la relation s'exprimant comme suit U N S xw x B Ainsi, on peut ajuster en conséquence le circuit magnétique 100 aux caractéristiques du convertisseur de fréquence et du fluide à chauffer, et réciproquement. Par ailleurs, le dispositif comporte une cuve en un matériau isolant, tel que le PTFE ou le verre, contenant le fluide 10 à chauffer et entourant ladite colonne de chauffage 102 du transformateur de telle façon que le circuit magnétique chauffe le fluide en créant dans le fluide 10 des courants induits. Plus particulièrement, le transformateur canalise le flux magnétique créé dans l'inducteur, et engendre une f.e.m induite dans le fluide 10. Le fluide 10 conducteur de courant, dans lequel est plongée ladite colonne de chauffage 102, se comporte comme une résistance. Lorsque ledit fluide 10 est traversé par les courants induits, il chauffe par effet Joule. Comme on peut le voir sur la figure I, les colonnes d'induction 101 et de chauffage 102, sont séparables des autres parties du cadre fermé et plus particulièrement de la partie supérieure 103, appelée la tête. Ainsi, un tel montage, permet d'introduire, sans difficulté, le bobinage primaire 200 et la cuve 300 contenant le fluide 10, respectivement autour des colonnes d'induction et de chauffage. De plus, le convertisseur de fréquence fonctionnant à des conditions de résonance, ce montage permet d'interposer des câles, non représentées sur la figure 1, entre la tête 103 et le reste du circuit magnétique. Ces câles représentent des moyens de fonctionnement dudit convertisseur de fréquence, assurant les conditions de résonance exigées par le convertisseur.En effet, l'ensemble constitué par l'inducteur, le transformateur et le fluide se comporte comme un circuit électrique composé d'une inductance L en série avec une résistance R, et le convertisseur de fréquence est constitué par une source de tension mise en parallèle avec un condensateur C. Le schéma électrique représentatif du dispositif montré par la figure 1, se compose de la source de tension mise en parallèle simultanément avec le condensateur C et l'inductance L en série avec la résistance R. Ainsi, les conditions de résonance du convertisseur de fréquence s'exprime comme LC w2=1 ou encore Lw /R > 2, où le produit L w est appelé la réactance. Dans le cas où le rapport > LwlR est inférieur à 2, lesdites câles permettent alors d'ajuster la réactance Lw dudit dispositif pour retrouver la condition de résonance Lw /R > 2 et assurer le fonctionnement dudit convertisseur de fréquence. Par ailleurs, il convient de préciser que ledit convertisseur de fréquence est un convertisseur moyenne fréquence performant à thyristors ou transistors, présentant un rendement compris environ entre 85 et 95%. De même, pour utiliser le dispositif de la figure 1 à des basses fréquences comprises entre environ 250 HZ et 6kHZ, ledit transformateur est constitué par des tôles magnétiques, telles que des tôles de silicium, présentant de préférence des faibles épaisseurs comprises entre 0,1 et 0,35 millimètre, de manière à minimiser les échauffements dudit transformateur. Pour les fréquences plus élevées, par exemple supérieures à 3 kHZ, ledit transformateur est constitué par des ferrites. Dans les deux cas, afin d'éviter que ledit circuit magnétique 100 s'échauffe, celui-ci comporte un circuit de refroidissement. Comme le montre mieux la figure 2, ledit circuit de refroidissement comporte par exemple des "tires-chaleur" constitués par des plaques de cuivre 110 refroidies sur les rives à l'aide de canalisations de cuivre 111 parcourues par de l'eau 112. Pour un transformateur constitué par des tôles magnétiques, ces "tires-chaleur" sont disposés parallèlement auxdites tôles magnétiques. Sur la figure 3, on a représenté un deuxième mode de réalisation d'un transformateur 100' faisant partie d'un dispositif de chauffage selon l'invention. Ce transformateur comporte un circuit magnétique 100' fermé en forme de cadre, présentant trois colonnes de chauffage 101',102',103', deux colonnes latérales 101',103' de section S et une colonne centrale 102' présentant une section 2S double de ladite section S. Parmi les trois colonnes de chauffage 101',102',103' se trouve une colonne 102' portant le bobinage primaire 200. Ce transformateur à trois colonnes permet de canaliser avec une meilleure efficacité le flux magnétique créé par le bobinage primaire 200. Dans cette voie, comme on le verra en détail ultérieurement, on peut envisager selon un autre mode de réalisation, un dispositif de chauffage électrique par induction comportant un transformateur présentant un circuit magnétique comprenant une colonne de chauffage centrale de section S1 et une pluralité de n colonnes de chauffage périphériques disposées radialement et présentant une section n fois plus faible que la section S1. Ce circuit magnétique comporte au moins une colonne d'induction parmi lesdites colonnes. Dans le cas où ledit circuit magnétique comporte plusieurs colonnes de chauffage portant chacune un inducteur, il faut prendre soin à ce que les flux magnétiques créés par chaque inducteur s'additionnent bien. Sur la figure 4, on a représenté en détail un exemple d'écoulement du fluide 10 à chauffer, autour de la colonne de chauffage 102 dudit dispositif de chauffage de la figure 1. A partir d'une canalisation d'alimentation en fluide non représentée, on crée, à l'aide d'une nourrice 130 placée dans la cuve 300, deux veines d'écoulement l0a,10b dudit fluide 10 autour de ladite colonne de chauffage 102, perpendiculaires à ladite colonne Ces deux veines d'écoulement en parallèle, convergent à la sortie 120 de ladite cuve 300 vers un collecteur non représenté. Comme on peut le voir sur la figure 4, les courants induits circulent dans ledit fluide suivant la flèche i, dans la direction de l'écoulement dudit fluide. Sur les figures 5 et 6, on a représenté l'écoulement du fluide 10 autour des colonnes de chauffage 102 et d'induction 101 du transformateur de la figure 1. De même, l'écoulement du fluide est perpendiculaire auxdites colonnes de chauffage et d'induction et comporte une distribution en trois veines d'écoulement de fluide 10a10b,10c en parallèle, perpendiculaires auxdites colonnes. Dans ce cas, la distribution est réalisée à l'aide d'un réservoir 20. Par ailleurs, comme on peut le voir également sur les figures 5 et 6, les courants induits circulent dans le fluide suivant les flèches i représentant la direction de l'écoulement du fluide 10. Sur les figures 7 et 8, on a représenté une variante du mode de réalisation du dispositif de la figure 4. Comme on peut le voir sur ces figures, la cuve 300 présentant une forme cylindrique, comporte en partie basse une entrée 301 du fluide 10 et en partie haute une sortie 302 dudit fluide 10, de manière à créer une veine d'écoulement cyclindrique du fluide parallèle à la colonne de chauffage 102. De même, sur les figures 9a et 9b, on a représenté deux autres variantes du mode de réalisation du dispositif de la figure 5. Comme on peut le voir d'une part sur la figure 9a, la cuve 300 présente une forme sensiblement cylindrique, comportant deux évidements de manière à entourer les deux colonnes de chauffage 102 et d'induction 101. D'autre part, sur la figure 9b, on distingue deux cuves 300,300' de forme cylindrique qui entourent respectivement la colonne de chauffage 102 et la colonne d'induction 101. Suivant les deux variantes de réalisation présentées sur les figures 9a et 9b, les cuves comportent, en outre, des moyens d'entrée et de sortie du fluide 10, non représentés, de sorte que le fluide 10 s'écoule suivant deux veines d'écoulement cylindriques parallèles respectivement auxdites colonnes de chauffage et d'induction. I1 convient de noter que le dispositif des figures 9a et 9b est plus performant que celui des figures 7 et 8, puisque le dispositif des figures 9a et 9b présente un rendement de chauffage qui peut être égal à 85 % alors que le dispositif des figures 7 et 8 présente un rendement qui est de 70 % dans les mêmes conditions d'utilisation. La figure 10 montre un autre mode de réalisation du dispositif de chauffage, comportant une colonne centrale 104a et trois colonnes périphériques lOla,102a,103a, disposées radialement. Lesdites colonnes prériphériques présentent une section S, et la colonne centrale présente alors une section égale au triple de ladite section S. Parmi lesdites colonnes 101a,102a,103a se trouve au moins une colonne d'induction. En outre, ledit dispositif comporte une cuve comprenant quatre évidements entourant les quatre colonnes et contenant le fluide 10 qui s'écoule parallèlement auxdites colonnes. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée à la forme de réalisation décrite et représentée, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. Par exemple, on peut imaginer une variante du mode de réalisation du dispositif de la figure 10, comportant un écoulement du fluide suivant des veines d'écoulement perpendiculaires auxdites colonnes de chauffage et d'induction. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage électrique par induction d'un fluide (10) conducteur d'électricité, caractérisé en ce qu'il comprend - un transformateur comportant un circuit magnétique (100) fermé en forme de cadre comprenant au moins une colonne de chauffage (102), - au moins un inducteur constitué par un bobinage (200) disposé autour du transformateur et alimenté par une tension électrique qui varie de façon périodique de telle sorte que ledit inducteur engendre un flux magnétique dans ledit circuit magnétique (100), - au moins une cuve (300) contenant ledit fluide (10) à chauffer, entourant au moins une colonne de chauffage (102) du transformateur de telle façon que ledit circuit magnétique (100) chauffe ledit fluide (10) en créant dans ledit fluide (10) des courants induits. 2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cuve (300) est constituée par un matériau isolant. 3. Dispositif de chauffage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif comportant un convertisseur de fréquence fonctionnant à des conditions de résonance pour alimenter ledit inducteur, ledit dispositif comprend des moyens de fonctionnement pour assurer lesdites conditions de résonance du convertisseur de fréquence. 4. Dispositif de- chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (100) est constitué par des tôles magnétiques. 5. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (100) est constitué par des ferrites. 6. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit de refroidissement (110,111,112) dudit circuit magnétique (100). 7. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque cuve (300) comporte des moyens d'entrée et de sortie dudit fluide (10) dans ladite cuve (300) de manière à créer au moins une veine d'écoulement dudit fluide (10) autour d'au moins une colonne de chauffage (102), ladite veine d'écoulement étant perpendiculaire à ladite colonne de chauffage (102). 8. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque cuve (300) comporte des moyens d'entrée et de sortie dudit fluide (10) dans ladite cuve (300) de manière à créer au moins une veine d'écoulement dudit fluide (10), parallèle à au moins une colonne de chauffage (102). 9. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit transformateur comporte un circuit magnétique (100) fermé en forme de cadre présentant deux colonnes de chauffage (101,102) sensiblement parallèles, parmi lesquelles se trouve au moins une colonne (101) autour de laquelle est entouré un bobinage (200). 10. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le transformateur comporte un circuit magnétique (100') fermé en forme de cadre présentant trois colonnes de chauffage (101',102',103'), deux colonnes latérales (101',103') de section S et une colonne centrale (102') de section double de ladite section S, parmi lesquelles se trouve au moins une colonne autour de laquelle est entouré un bobinage (200). 11. Dispositif de chauffage selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit transformateur comporte un circuit magnétique comprenant une colonne de chauffage centrale présentant une section S 1 et une pluralité n de colonnes de chauffage périphériques disposées radialement et présentant une section n fois plus faible que ladite section S1, ledit circuit magnétique comportant parmi lesdites colonnes au moins une colonne autour de laquelle est entouré un bobinage.