Brevet FR2731868A1 — publié le 19960920

PROCEDE ET EQUIPENENTS POUR LE CHAUFFAGE D'UN LIQUIDE ELECTRIQUEMENT CONDUCTEUR La présente invention concerne un procédé et un instrument de chauffage d'un liquide électriquement conducteur. Elle concerne notamment le chauffage par effet Joule d'un liquide électrolytique corrosif. Dans un liquide corrosif tel qu'un acide, il n'est guère envisageable de plonger deux électrodes pour faire circuler un courant électrique, car le matériau conducteur des électrodes serait attaqué par l'acide. Un montage de type four à induction, avec des enroulements inducteurs placés autour du récipient contenant le liquide, permettrait un chauffage par effet Joule provoqué par des courants induits dans la cuve, donc sans contact direct entre le liquide et un conducteur. Dans ces conditions, le rendement énergétique serait dégradé par perte supplémentaire dans l'inducteur, même si des culasses externes sont prévues. Les fours à induction sont utilisés chauffer des métaux, mais dans le cas d'un électrolyte beaucoup moins conducteur, les fréquences d'alimentation seraient trop élevées. En outre, si le liquide est contenu dans un récipient métallique, c'est essentiellement le récipient qui serait chauffé par induction, et cette chaleur serait ensuite communiquée au liquide. Ceci risquerait de provoquer une altération du revêtement anticorrosif du récipient. L'invention s'applique également au chauffage par effet Joule de métaux ou d'alliages métalliques non ferreux (aluminium, cuivre, zinc, bronze...). Dans un four à canal, parfois utilisé pour chauffer des métaux non ferreux, il est prévu un circuit magnétique, généralement en tôles magnétiques, s'étendant en partie à l'intérieur du creuset contenant le métal fondu et en partie à l'extérieur. Un enroulement inducteur est bobiné autour du circuit magnétique dans la partie extérieure au creuset. Cet enroulement forme le primaire d'un transformateur dont le secondaire est constitué par une veine du métal liquide autour du circuit magnétique. Ce type de four provoque des pertes énergétiques non négligeables, comme les fours à induction traditionnels, du fait que l'inducteur est situé à l'extérieur du récipient contenant le matériau à chauffer. En outre, le canal, c'est- à-dire la zone intérieure au creuset située entre le circuit magnétique et la paroi du creuset, o le chauffage est le plus efficace, a tendance à se boucher au cours du fonctionnement du four. Ces fours à canal sont limités en fréquence. Ils sont généralement utilisés à 50 Hz, mais les circuits nécessaires pour équilibrer les trois phases sont alors très encombrants et ils perturbent le réseau. L'invention concerne également le chauffage de verres en fusion qui sont souvent d'assez bons conducteurs électriques. Il est connu de chauffer des verres par induction dans des fours dits "à spire directe". Dans un tel four, une spire de cuivre placée dans le verre fondu est alimentée à très haute fréquence (plusieurs centaines de kHz) pour générer les courants de Foucault dissipateurs de chaleur. Un grave inconvénient de ces fours est le risque de claquage diélectrique dans l'intervalle séparant les points de raccordements de la spire, o le champ électrique est élevé. Pour atténuer cet inconvénient, on utilise parfois un four dit "à cage froide" dans lequel des secteurs tubulaires en cuivre sont placés axialement à l'intérieur de la spire, de l'eau de refroidissement circulant dans ces secteurs. La circulation du courant dans la spire induit d'autres courants dans les secteurs, lesquels génèrent les courants de Foucault dans le verre fondu. Si ces fours à cage froide limitent les risques de claquage diélectrique, ils ont l'inconvénient de présenter des rendements médiocres. Un but de la présente invention est de proposer un procédé permettant de chauffer un liquide électriquement conducteur par effet Joule avec un bon rendement. L'invention propose ainsi un procédé de chauffage d'un liquide électrolytique consistant à plonger dans ledit liquide un instrument de chauffage comportant un circuit inducteur électriquement isolé du liquide, et à alimenter le circuit inducteur en courant alternatif. Plus généralement, l'invention est applicable à un liquide ayant une conductivité électrique notable, c'est-à- dire à un liquide électrolytique mais également à un métal ou alliage fondu ou encore à un verre en fusion. Un procédé selon l'invention consiste ainsi à placer le liquide dans une cuve dans laquelle se trouve en outre un circuit inducteur comprenant un solénoïde électriquement isolé du liquide et une culasse en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde, et à alimenter le solénoïde en courant alternatif. Par un dimensionnement approprié du circuit inducteur et par un réglage de la fréquence d'alimentation, on peut confiner essentiellement dans le liquide le champ magnétique induit à l'extérieur de l'instrument de chauffage. On accède ainsi à d'excellents rendements énergétiques (supérieurs à %). On bénéficie en outre des avantages propres au chauf- fage par induction: faible inertie thermique; possibilité de réguler finement la puissance et la température; possibi- lité de transmettre de fortes puissances. L'invention propose également un instrument de chauf- fage permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus dans le cas d'un liquide électrolytique. D'autres types d'ins- truments seraient néanmoins utilisables. L'instrument selon l'invention comprend un solénoïde disposé coaxialement dans un tube cylindrique électriquement isolant et fermé à son extrémité inférieure, des bornes de raccordement du solénoïde à une alimentation en courant alternatif, et une culasse en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde. Cette culasse peut présenter, à son extrémité adjacente à l'extrémité inférieure du tube, un rebord dirigé radialement vers l'extérieur du solénoïde, ceci afin d'améliorer l'efficacité. La culasse est agencée pour concentrer dans le liquide le champ magnétique induit. On peut alors utiliser de plus grandes profondeurs d'effet de peau en conservant un excellent rendement énergétique, ce qui permet d'utiliser une alimentation de fréquence sensiblement plus basse, donc plus économique. L'invention propose en outre un four de chauffage d'un liquide électriquement conducteur, comprenant une cuve pour recevoir ledit liquide, un solénoïde électriquement isolé du liquide, s'étendant à l'intérieur de la cuve, une culasse s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde, et une alimentation en courant alternatif reliée au solénoïde. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation préférés mais non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma illustrant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale d'un instrument de chauffage selon l'invention; - la figure 3 est un schéma illustrant la répartition des lignes de flux magnétique dans un liquide chauffé par l'instrument représenté sur la figure 2; et - les figures 4 à 6 sont des schémas en coupe de trois exemples de four selon l'invention. La figure 1 montre une cuve cylindrique 10 contenant un liquide électrolytique à chauffer, typiquement entre la température ambiante et une température de 100 à 150 C, voire plus élevée. Un enroulement inducteur, constitué ici par un solénoïde 12, est immergé dans le liquide et alimenté par un générateur de courant alternatif 14. Le solénoïde 12 fait partie d'un instrument de chauffage comportant en outre les bornes de raccordement au générateur 14 et des moyens d'iso- lation électrique entre le liquide et le cuivre du solénoïde et les bornes de raccordement. Ces moyens d'isolation élec- trique assurent également la protection chimique du cuivre vis-à-vis du liquide à chauffer. Ils peuvent être constitués par un revêtement isolant et anticorrosif appliqué sur les spires du solénoïde ou encore par un boîtier cylindrique double entourant le solénoïde. Un tel boîtier peut également être agencé pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement des spires du solénoïde 12. Dans l'agencement de la figure 1, le liquide à chauffer se trouve à la fois autour et à l'intérieur du solénoïde 12. Le courant alternatif appliqué induit dans le liquide un champ magnétique dont des lignes de flux 16 sont représentées. Du fait de la conductivité du liquide, qui est par exemple comprise entre 10 et 100 S/m, ce champ magnétique génère des courants de Foucault qui chauffent le liquide par effet Joule. La fréquence d'alimentation est choisie en fonction du diamètre du solénoïde, du diamètre de la cuve et de la conductivité électrique du liquide, en tenant compte du fait que cette dernière augmente en général avec la température. En première approximation, la fréquence retenue est inversement proportionnelle à la conductivité du liquide et au carré de la profondeur d'effet de peau désirée. Si nécessaire, une fréquence d'alimentation optimale peut être recherchée par des essais préalables. Si la cuve 10 est métallique, on choisit la fréquence de façon que les parois de la cuve 10 ne soient pas chauffées directement, c'est-à- dire de façon que le champ magnétique induit à l'extérieur du solénoïde 12 reste essentiellement confiné dans le liquide. En pratique, la fréquence d'alimentation sera souvent supérieure à 50 kHz. La figure 2 montre un instrument de chauffage permettant de mettre en oeuvre le procédé à des fréquences d'alimentation plus basses. Outre un solénoïde 22 et ses bornes de raccordement non représentées, cet instrument comporte une culasse 24 et un tube conteneur 26. Le tube 26 est en matériau anti-corrosif électriquement isolant. Il a une forme cylindrique qui entoure le solénoïde 22 et la culasse 24, avec une extrémité inférieure fermée 28. La culasse 24 est par exemple réalisée en tôles magnétiques disposées en étoile pour des fréquences d'alimentation de l'ordre de 5 kHz ou, pour des fréquences plus élevées (typiquement 20 kHz) à partir de barreaux de ferrite. Elle a une forme générale cylindrique coaxiale au solénoïde 22 et au tube 26, avec un alésage axial 30 permettant de faire circuler un fluide de refroidissement du solénoïde et de la culasse, par exemple de l'eau. A chacune des extrémités axiales du solénoïde 22, la culasse 24 peut présenter un rebord 32, 34 s'étendant radialement vers l'extérieur, comme le montre la figure 4. La culasse 24 a une structure propre à concentrer la puissance transmise face aux spires du solénoïde 22. En particulier, les lignes de flux se courbent selon un angle important dans le rebord inférieur 32. Ainsi, lorsque l'instrument est plongé verticalement dans la cuve 10 contenant le liquide électrolytique à chauffer, on peut induire un champ magnétique élevé sans que ce champ soit important au niveau du fond de la cuve. Le champ est bien concentré dans le liquide, même si la profondeur de l'effet de peau est relativement importante, c'est-à-dire si la fréquence d'alimentation est relativement basse. Le solénoïde peut alors être alimenté à des fréquences à partir de 5 kHz seulement pour une puissance transmise de plusieurs centaines de kW et une conductivité du liquide de l'ordre de 30 à 50 S/m. La figure 3 illustre la distribution des lignes de champ magnétique 36 dans l'exemple d'une puissance de 237 kW, d'une fréquence de 20 kHz et d'une conductivité de 37 S/m. A une fréquence de 20 kHz, le fond de la cuve n'est pas du tout chauffé. De même, le rebord supérieur 34 de la culasse limite l'extension du champ magnétique au-dessus de la surface du liquide. On peut bien entendu plonger plusieurs instruments de chauffage dans une même cuve. On prend alors toutefois la précaution de les raccorder de façon que le champ magnétique créé par l'un ne soit pas en opposition de phase avec celui créé par ses voisins. La figure 4 montre un four utilisable pour le chauffage d'un liquide conducteur à des températures plus élevées. Le liquide en question peut être un métal (ou alliage métallique) fondu, ou encore un verre en fusion. Le four comporte une cuve 110 en matériau réfractaire. Le matériau réfractaire de la paroi de la cuve est placé dans une enveloppe métallique 111. La cuve est recouverte d'un couvercle 113, pourvu d'une ouverture 115 pour l'introduction de la matière (liquide ou solide non encore fondu) à chauffer. Un bec de coulée 117 est prévu à la partie supérieure de la cuve 110 pour évacuer de la cuve le liquide chauffé. Un solénoïde 122 pourvu d'une culasse intérieure 124 est placé à l'intérieur de la cuve 110. Le solénoïde est relié à un générateur de courant alternatif 114. Comme dans le cas de la figure 2, un trajet est ménagé autour du solénoïde 122 et de la culasse 124 pour permettre le passage d'un fluide de refroidissement, tel que de l'eau, que fait circuler une pompe 119. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, l'inducteur constitué par le solénoïde 122 et sa culasse 124 est placé dans un fourreau réfractaire 126 intégré au fond de la cuve 110. Le fourreau 126 isole électriquement et thermiquement le solénoïde 122 et sa culasse 124 du liquide. Le solénoïde est placé verticalement vers le milieu de la cuve, et est dimensionné pour que le champ magnétique induit soit essentiellement confiné dans le liquide à chauffer. Dans le cas o le liquide à chauffer est un métal non ferreux ou un alliage de métaux non ferreux, la conductivité électrique est très élevée (résistivités de l'ordre de 10 à 20.10-8 Q.m). La culasse 124 peut alors être réalisée à partir de tôles magnétiques, et le solénoïde peut être alimenté à une fréquence supérieure à 100 Hz, typiquement de 300 à 500 Hz. Les matériaux réfractaires de la cuve 110 et du fourreau 126 sont choisis parmi ceux habituellement utilisés en métallurgie (pisé par exemple). Dans le cas o le liquide à chauffer est un verre en fusion, la conductivité est moins élevée (jusqu'à 150 à 200 S/m) de sorte qu'on est amené à augmenter la fréquence d'alimentation pour une même puissance de chauffage. On utilise alors une culasse 124 réalisée à partir de barreaux de ferrite, et des fréquences d'alimentation supérieures à 10 kHz, typiquement d'environ 20 kHz. Les matériaux réfractaires de la cuve 110 et du fourreau 126 peuvent être des céramiques telles que celles habituellement utilisées dans l'industrie du verre. Le four représenté sur la figure 5 diffère de celui de la figure 4 en ce que le fourreau réfractaire 226 contenant le solénoïde 222 et la culasse 224 est suspendu au couvercle 213 de la cuve 210 au lieu d'être fixé ou intégré à la paroi du fond de la cuve. On comprendra que de nombreux autres agencements de l'inducteur à l'intérieur de la cuve sont envisageables. La figure 6 montre un autre exemple de four pouvant notamment être utilisé pour zinguer des tôles. Le solénoïde 322, la culasse 324 et le fourreau réfractaire 326 sont placés près du fond de la cuve 310, avec leur axe parallèle à ce fond. Le fourreau 326 traverse par exemple la largeur de la cuve comme représenté. Il peut alors être nécessaire de subdiviser le solénoïde 322 en plusieurs tronçons d'enroulement alimentés séparément. Le liquide chauffé étant du zinc fondu, on peut, grâce à un agencement conventionnel de rouleaux, faire défiler une tôle dans l'intervalle situé entre l'inducteur et le fond de la cuve pour lui appliquer un revêtement de zinc. REVENDICATIONS 1. Procédé de chauffage d'un liquide électrolytique, caractérisé en ce qu'on plonge dans ledit liquide au moins un instrument de chauffage comportant un circuit inducteur (12;22) électriquement isolé du liquide, et en ce qu'on alimente le circuit inducteur en courant alternatif. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, le liquide étant placé dans une cuve (10) en matériau électriquement conducteur, on alimente le circuit inducteur à une fréquence sélectionnée pour confiner sensiblement dans le liquide le champ magnétique induit à l'extérieur de l'instrument de chauffage. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'instrument de chauffage comporte des moyens de refroidissement du circuit inducteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit inducteur est un solénoïde (22), et en ce que l'instrument de chauffage comporte en outre une culasse (24) en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde, la culasse présentant, à au moins une extrémité axiale du solénoïde, un rebord (32,34) dirigé radialement vers l'extérieur du solénoïde. 5. Instrument de chauffage pour un liquide électrolytique, caractérisé en ce qu'il comprend un solénoïde (22) disposé coaxialement dans un tube cylindrique électriquement isolant (26) fermé à son extrémité inférieure (28), des bornes de raccordement du solénoïde à une alimentation en courant alternatif (14), et une culasse (24) en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde. 6. Instrument de chauffage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la culasse présente, à son extrémité adjacente à l'extrémité inférieure du tube, un rebord (32) dirigé radialement vers l'extérieur du solénoïde. 7. Instrument de chauffage selon la revendication 6, caractérisé en ce que la culasse comporte un autre rebord (34) dirigé radialement vers l'extérieur du solénoïde (22), à son extrémité opposée à l'extrémité inférieure du tube (26). 8. Instrument de chauffage selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la culasse (24) comporte un alésage axial (30) pour la circulation d'un fluide de refroidissement. 9. Procédé de chauffage d'un liquide électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'on place ledit liquide dans une cuve (10;110;210; 310) dans laquelle se trouve en outre au moins un solénoïde (22;122;222; 322) électriquement isolé du liquide, avec une culasse (24;124;224;324) en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde, et en ce qu'on alimente le solénoïde en courant alternatif. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit liquide électriquement conducteur est un métal non ferreux fondu ou un alliage métallique non ferreux fondu. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la culasse (124;224;324) est réalisée en tôles magnétiques, et en ce que la fréquence d'alimentation du solénoïde est supérieure à 100 Hz. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit liquide électriquement conducteur est un verre en fusion. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la culasse (124;224;324) est réalisée à base de ferrite, et en ce que la fréquence d'alimentation du solénoïde est supérieure à 10 kHz. 14. Four de chauffage d'un liquide électriquement conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve (10;110;210;310) pour recevoir ledit liquide, un solénoïde (22;122;222;322) électriquement isolé du liquide, s'étendant à l'intérieur de la cuve, une culasse (24;124;224; 324) s'étendant axialement à l'intérieur du solénoïde, et une alimentation (14;114) en courant alternatif reliée au solénoïde. 15. Four selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (119) de refroidissement du solénoïde et de la culasse. 16. Four selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que le solénoïde (322) est placé près du fond de la cuve (310), avec son axe parallèle audit fond.