Brevet FR2731867A1 — publié le 19960920

PROCEDE ET INSTRUMENT DE CHAUFFAGE D'UN LIQUIDE ELECTROLYTIQUE La présente invention concerne un procédé et un instrument de chauffage d'un liquide électrolytique. Elle concerne particulièrement 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. Un but de la présente invention est de proposer un procédé permettant de chauffer un liquide électrolytique corrosif 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. 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 90%). On bénéficie en outre des avantages propres au chauffage par induction : faible inertie thermique ; possibilité de réguler finement la puissance et la température ; possibilité de transmettre de fortes puissances. L'invention propose également un instrument de chauffage permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus. D'autres types d'instruments seraient néanmoins utilisables. L'instrument selon l'invention comprend un solénolde disposé coaxialement dans un tube cylindrique électriquement isolant et fermé à son extrémité inférieure, des bornes de raccordement du solénoide à une alimentation en courant alternatif, et une culasse en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoide. Cette culasse peut présenter, à son extrémité adjacente à l'extrémité inférieure du tube, un rebord dirigé radialement vers l'extérieur du solénoide, 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. 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 ; et - 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. 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 1500C, voire plus élevée. Un enroulement inducteur, constitué ici par un solénoide 12, est immergé dans le liquide et alimenté par un générateur de courant alternatif 14. Le solénoide 12 fait partie d'un instrument de chauffage comportant en outre les bornes de raccordement au générateur 14 et des moyens d'isolation électrique entre le liquide et le cuivre du solénoide et les bornes de raccordement. Ces moyens d'isolation électrique 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 solénoide ou encore par un boîtier cylindrique double entourant le solénoide.Un tel boîtier peut également être agencé pour permettre la circulation d'un fluide de refroidissement des spires du solénoide 12. Dans l'agencement de la figure 1, le liquide à chauffer se trouve à la fois autour et à l'intérieur du solénoide 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 solénoide, 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-àdire de façon que le champ magnétique induit à l'extérieur du solénoide 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 solénoide 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 solénoide 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 solénoide 22 et au tube 26, avec un alésage axial 30 permettant de faire circuler un fluide de refroidissement du solénoide et de la culasse, par exemple de l'eau. A chacune des extrémités axiales du solénoide 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 solénoide 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 solénoide 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. 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 solénoide (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 solénoide, la culasse présentant, à au moins une extrémité axiale du solénoide, un rebord (32,34) dirigé radialement vers l'extérieur du solénoide. 5. Instrument de chauffage pour un liquide électrolytique, caractérisé en ce qu'il comprend un solénoide (22) disposé coaxialement dans un tube cylindrique électriquement isolant (26) fermé à son extrémité inférieure (28), des bornes de raccordement du solénoide à une alimentation en courant alternatif (14), et une culasse (24) en matériau magnétique doux s'étendant axialement à l'intérieur du solénoide. 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 solénoide. 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 solénoide (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.