Brevet FR2688373A1 — publié le 19930910

ELEMENT CHAUFFANT DU TYPE THERMOPLONGEUR A REVETEMENT CONDUCTEUR SUR SUPPORT CENTRAL DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne de manière générale des éléments chauffants par résistance électrique, appelés thermoplongeurs, et en particulier les chaudières électriques produisant de la vapeur d'eau et utilisant ce type d'éléments chauffants et tous les appareils utilisant des éléments chauffants à haute densité de flux de chaleur. ART ANTERIEUR ET PROBLEME POSE Dans les chaudières électriques, dont la puissance ne dépasse pas les 7 MW, les éléments chauffants sont la plupart du temps constitués de résistances blindées, appelées suivant la technologie employée "thermoplongeurs" ou "cannes chauffantes". Dans tous les cas, la résistance de ces éléments est constituée d'un fil conducteur chauffant par effet Joule. Ce fil est renforcé et protégé par une gaine en isolant électrique l'entourant, l'ensemble étant éventuellement lui-même entouré d'une gaine de protection. Dans ce genre d'éléments, la densité de flux de chaleur délivrée par l'élément chauffant est limitée par la présence de l'isolant électrique. Or, le volume des chaudières électriques est lié aux performances des conducteurs utilisées en matière de transfert thermique. En effet, si le flux surfacique de chaleur que peut dissiper un conducteur est faible, la surface nécessaire pour dégager une quantité de chaleur déterminée sera plus importante. En conséquence, la surface nécessaire, donc le nombre de conducteurs et le volume de ces éléments doivent être augmentés. A titre d'exemple, pour des thermoplongeurs classiques, les densités de flux de chaleur s'échelonnent entre 4 et 16 W/cm2. Ces densités peuvent atteindre 40 W/cm2 pour des thermoplongeurs à haut flux et 90 W/cm2 pour des cannes chauffantes, dites "haut flux". A un flux de chaleur imposé, la température du conducteur central est une fonction des performances de transfert de la paroi de l'élément en contact avec le fluide, ainsi que des résistances thermiques des différentes couches de matériaux le séparant de ce fluide. Or, de manière générale, un isolant électrique entourant le fil conducteur est également un isolant thermique.Il s'ensuit que, pour obtenir une température suffisante de la surface en contact de l'élément avec le fluide, il est necessaire d'échauffer le conducteur à plusieurs centaines de degrés au-dessus de la température d'ébullition du fluide. D'autre part, les performances thermiques et la résistivité électrique du matériau utilisé pour constituer l'élément chauffant imposent une petite section de ce dernier. Il s'ensuit qu'il est réalisé sous la forme d'un fil métallique de faible épaisseur. La puissance électrique dissipée par effet Joule est directement proportionnelle à la résistance électrique de l'élément chauffant, elle-même inversement proportionnelle à la section de ce dernier. Si on veut que l'augmentation des densités de flux de chaleur ne s'accompagne pas d'une élévation importante de l'intensité du courant qui circule dans l'élément chauffant, il convient d'augmenter la résistance électrique, en réduisant la section de passage du courant électrique. Or, les chaudières électriques produisant de la vapeur fonctionnent généralement à des pressions de 10 à 15 bars (106 à 1,5.106 Pa), ce qui nécessite une bonne tenue mécanique des éléments chauffants. Ces deux exigences sont difficilement conciliables dans le cas d'un élément chauffant de structure homogène. En effet, même enroulé en spirale, l'élément chauffant ainsi constitué est très fragile et n'offre aucune résistance mécanique, surtout lorsqu'il doit être de grande longueur, comme c'est le cas dans les chaudières. De plus, lorsqu'vil est enroulé en spirale, l'isolant électrique est obligatoire afin d'éviter tout contact entre les spires. Le but de l'invention est de remédier à ces différents inconvénients en proposant une conception différente de l'élément chauffant. RESUME DE L'INVENTION L'objet principal de l'invention est un élément chauffant par résistance électrique du type thermoplongeur comportant un conducteur électrique traversé par un courant. Selon l'invention, il comprend un support central autour duquel se trouve le conducteur électrique. Une réalisation préférentielle de l'élément chauffant selon l'invention prévoit que le support central est un barreau de céramique. En particulier, il peut être constitué d'alumine. Une autre caractéristique importante de l'invention est que le conducteur électrique a une surface poreuse pour faciliter l'échange thermique. Dans ce cas, il est de préférence réalisé à base d'une poudre d'Inconel dont le diamètre des particules est compris entre 40 et 200 jan. Dans une des deux réalisations de l'élément chauffant selon l'invention, on utilise deux bagues d'extrémité en cuivre pour réaliser la connexion électrique du conducteur, ces bagues d'extrémité étant reliées au conducteur électrique. La deuxième réalisation prévoit l'utilisation d'une pièce d'extrémité pour la connexion électrique du conducteur, cette pièce étant reliée au conducteur électrique, le barreau étant creux avec un conducteur intérieur en cuivre connecté à la pièce d'extrémité, la connexion du conducteur électrique étant réalisée avec une bague extérieure de connexion isolée électriquement du conducteur intérieur. Il est avantageux de procéder à un usinage sur la surface externe du conducteur pour augmenter la résistance de l'élément. On peut ainsi pratiquer une rainure hélicoïdale sur cette surface. LISTE DES FIGURES L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit, annexée des deux figures représentant respectivement - figure 1, une première réalisation de l'élément chauffant selon l'invention ; et - figure 2, une deuxième réalisation de cet élément chauffant. DESCRIPTION DETAILLEE DE DEUX REALISATIONS DE L'INVENTION En référence à la figure 1, une première réalisation de l'élément chauffant selon l'invention consiste à connecter l'élément chauffant par ses deux extrémités. Ici, il s'étend le long de son axe longitudinal 1 entre deux plaques support 5. Il est constitué principalement d'un support central 2 autour duquel se trouve le conducteur électrique 3. Ce dernier se trouve sous la forme d'un tube métallique de faible épaisseur pour offrir une résistance électrique assez importante. De préférence, le support central 2 est en céramique pour pouvoir assurer la tenue mécanique du conducteur électrique 3. Sa section est de préférence cylindrique. I1 est à noter que la céramique se prête particulièrement bien à la fabrication et au fonctionnement thermique du conducteur électrique constitué d'un revêtement métallique. Cette céramique peut être en particulier de l'alumine. Le conducteur électrique 3 a, selon l'invention, une surface poreuse. En effet, dans le cas de l'utilisation de conducteurs nus, on voit apparaître le phénomène de flux critique. A ce flux, une couche de vapeur se forme autour de l'élément chauffant, c'est-à-dire le conducteur électrique, dont la température augmente rapidement puisqu'il n'est plus refroidi par le liquide. On assiste souvent alors à la fusion du conducteur. De nombreuses études des phénomènes d'ébullition ont par ailleurs montré que le flux critique augmentait avec la rugosité de la paroi et était particulièrement élevé lorsque la surface est poreuse. En deçà de ce flux critique, et compte tenu du fait que l'augmentation de la surface développée et du nombre de sites de nucléation favorise l'ébullition, le transfert thermique est particulièrement efficace. Le conducteur n'est alors soumis qu'à des surchauffes très faibles. En conséquence, une caractéristique principale de l'invention est de fabriquer le conducteur électrique 3 de façon à ce qu'il ait une surface poreuse. Elle peut être obtenue par le dépôt d'une poudre métallique sur le support central 2. Ce dépôt de la couche poreuse peut se faire soit par frittage, soit par projection plasma sous atmosphère contrôlé. La poudre métallique peut être obtenue à partir d'un matériau de forte résistivité, par exemple de l'Inconel 600 ou 625. La composition du matériau a utiliser (granulométrie et forme des grains) doit être fonction de la nature du fluide à vaporiser, c'est- -dire de l'eau dans la majorité des cas. L'épaisseur et la porosité du revêtement sont également fonction de l'intensité du courant disponible. A titre dlexemple, l'élément représenté sur la figure 1 peut avoir les caractéristiques suivantes - diamètre du support central 2 égal à 20 mm - conducteur électrique 3 obtenu à partir de particules en Inconel de diamètre de 40 à 200 pm ; - épaisseur du conducteur électrique comprise entre 0,3 et 0,8 mm ; et - porosité de 30 à 40 %. La porosité de la couche métallique constituant le conducteur électrique 3 peut être diminuée aux extrémités de l'élément chauffant pour faciliter les raccordements électriques. Ainsi donc, avec une rugosité suffisante de la paroi chauffante, la création de microcavités, lors du transfert thermique, favorise les conditions d'ébullition et retarde le déclenchement d'un assèchement de l'élément chauffant susceptible de causer une probable destruction de ce dernier. L'élément chauffant selon l'invention se complète de deux bagues d'extrémité 4 par l'intermédiaire desquelles l'élément chauffant peut être fixé aux parois 5. Ces pièces d'extrémité 4 servent également à la connexion du conducteur électrique 3 avec une source d'alimentation électrique. Il est ainsi possible de raccorder sur chaque pièce d'extrémité 4 un fil 7 au moyen d'une vis 8, agissant sur une cosse 9. La résistance du conducteur 3 peut être modifiée en changeant son épaisseur. Pour réduire celle-ci partiellement, il est ainsi possible de pratiquer un usinage sur la surface extérieure de ce conducteur électrique 3. Ainsi, une rainure hélicoïdale 10 peut ainsi être usinée sur cette surface. Le pas, la largeur et la profondeur de cette rainure hélicoïdale 10 sont calculés pour augmenter la résistance du conducteur électrique 3 d'une valeur déterminée. En référence à la figure 2, la deuxième réalisation de l'élément chauffant selon l'invention permet de le fixer à une seule plaque support 5. De préférence, son axe 1 reste perpendiculaire à la plaque support 5. Dans ce cas, la connexion électrique du conducteur 3 se fait par une seule extrémité de l'élément chauffant. Pour réaliser cette connexion, le support central 12 est creux. Un conducteur en cuivre 13 y est logé. Ce conducteur est relié au conducteur électrique périphérique 3 au moyen d'une bague d'extrémité 14 placée à l'extrémité opposée à celle fixée à la plaque support 5. Le conducteur en cuivre 13 et le conducteur électrique 3 sont reliés tous les deux à une borne différente d'une alimentation électrique. Le conducteur électrique 3 peut être relié à un premier fil 16 par l'intermédiaire d'une bague extérieure de connexion 20 analogue à la pièce 4 et munie des mêmes moyens de fixation que ceux de la figure 1. Le conducteur en cuivre 13 peut être relié à un deuxième fil 17 par l'intermédiaire d'une bague intérieure de connexion 18. Les deux pièces de connexion 18 et 20 sont séparées bien entendu par un élément isolant 19 concentrique au conducteur en cuivre 13. L'élément chauffant est ainsi plus facile à monter et facilite la maintenance d'une chaudière comprenant de nombreux éléments de cette sorte. Le dépôt de la couche poreuse constituant le conducteur électrique 3 peut se faire soit par frittage, soit par projection de plasma sous atmosphère contrôlée. Le frittage est généralement préférable car il peut fournir des revêtements fortement poreux et à pores interconnectés, ce qui favorise la réalimentation en eau de la couche conductrice. D'autre part, ce type de revêtement est particulièrement résistant aux éventuelles surchauffes locales et temporaires. En effet, la structure frittée s'oppose à la propagation des éventuelles fissures pouvant s'ouvrir lorsque le conducteur est surchauffé. Il est ainsi possible de concevoir des chaudières électriques très compactes tout en conservant la technologie éprouvée des chaudières à thermoplongeurs classiques. REVENDICATIONS 1. Elément chauffant par résistance électrique du type thermoplongeur comportant au moins un élément électrique (3) traversé par un courant, caractérisé en ce qu'il comprend un support central (2, 12) autour duquel se trouve le conducteur électrique (3). 2. Elément chauffant selon la revendication 1 caractérisé en ce que le support central (2, 12) est un barreau de céramique. 3. Elément chauffant selon la revendication 2 caractérisé en ce que le support central (2, 12) est en alumine. 4. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conducteur électrique (3) a une surface poreuse. 5. Elément chauffant selon la revendication 4 caractérisé en ce que le conducteur électrique (3) est fait à partir d'une poudre d'Inconel dont le diamètre des particules est compris entre 40 et 200 Hm. 6. Elément chauffant selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comprend deux bagues d'extrémité (4) en cuivre pour la connexion du conducteur électrique (3) reliées au conducteur électrique (3). 7. Elément chauffant selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce d'extrémité (14) en cuivre pour la connexion du conducteur électrique (3), le barreau de céramique constituant le support central (12) étant creux, un conducteur intérieur (13) en cuivre étant placé à l'intérieur et connecté à la pièce d'extrémité (14), la connexion du conducteur électrique étant réalisée avec une bague extérieure de connexion (20) isolée électriquement du conducteur intérieur (13). 8. Elément chauffant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un usinage sur la surface externe du conducteur (3) pour augmenter la résistance de l'élément chauffant. 9. Elément chauffant selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'usinage est une rainure hélicoïdale (10).