Brevet FR2802054A1 — publié le 20010608

La présente invention concerne les circuits de refroidissement et particulièrement un dispositif de refroidissement liquide pour les circuits électriques à haute intensité. circuits électriques à haute intensité sont utilisés dans différentes applications telles que les salles d'électrolyse, les stations d'essais ou les fours électriques. Ces circuits véhiculent généralement des intensités allant de 10 à kiloampères (kA). Ces circuits à haute intensité dégagent une chaleur importante par effet joule. est donc nécessaire de mettre en place des systèmes de refroidissement permettant de dissiper cette chaleur. Ce refroidissement est essentiellement obtenu grâce à des systèmes de refroidissement à air. Cet air peut être l'air ambiant ou de air pulsé permettant de créer un courant au niveau de zones d'échange. Le refroidissement naturel dans l'air nécessite avoir une densité de courant faible afin de ne pas dépasser une température des conducteurs supérieure à environ 100 C. En effet, une température trop importante des conducteurs peut être dangereuse, non seulement pour les opérateurs, mais également pour la stabilité thermique du circuit. En effet, l'accroissement de la résistivité des métaux conducteurs avec l'augmentation de température peuvent conduire à une dégradation irréversible. Cette énergie dégagée sous forme de chaleur transmise à l'air est très pénalisante et difficilement récupérable. Elle génère des coûts de climatisation et de ventilation des locaux très importants avec une possibilité d'entraînement de poussières ou de polluants à l'extérieur. De plus, les zones d'échange doivent être de dimension importante pour que le refroidissement soit efficace. Ainsi, pour des circuits électriques de haute intensité dégageant de grandes quantités de chaleur, les équipements nécessaires au refroidissement ont des dimensions très importantes qui rendent leur installation difficile et leur encombrement très pénalisant. Un autre inconvénient majeur de ces systèmes de refroidissement à air est qu'ils ne sont pas adaptables à l'intensité du courant utilisée dans le circuit. En effet, si un tel système est prévu pour permettre le refroidissement un circuit ayant une intensité particulière, ce système ne sera plus adapté si on augmente l'intensité dans le circuit. faut donc prévoir dès la conception du système de refroidissement les éventuelles augmentations d'intensité afin construire un système qui puisse les absorber. Ainsi, pour des raisons de compacité et d'environnement, à température élevée autour des fours électriques, certains circuits d'alimentation de ces fours sont refroidis à l'eau. L'eau est ensuite refroidie au contact de l'air extérieur ou rejetée. En plus des circuits principaux, ces applications nécessitent souvent des circuits secondaires tels que des circuits pour le réchauffage de l'électrolyte dans le cas des salles d'électrolyse. En effet, il est nécessaire de maintenir électrolyte qui se trouve dans les cuves à électrolyse à une température supérieure à une température minimale, sous peine voir l'électrolyte cristalliser. De tels circuits permettent de produire la quantité de chaleur nécessaire pour maintenir l'électrolyte à la bonne température. On constate donc généralement, dans le cas des cuves à electrolyse, existence de circuits électriques à haute intensité disposant d'une part de systèmes de refroidissement permettant dissiper l'énergie produite (mais ne permettant pas de la récupérer), et d'autre part de systèmes de réchauffage permettant de maintenir l'électrolyte à une température suffisante pour éviter la cristallisation. Enfin, un autre problème se pose quand plusieurs cuves à électrolyse sont connectées en série et qu'il nécessaire déconnecter une de ces cuves. Dans les circuits électriques classiquement utilisés, il faut impérativement arrêter le fonctionnement des cuves pour pouvoir en déconnecter une. Une fois celle-ci isolée, les autres cuves sont remises en fonction. Cette manipulation est donc très contraignante puisqu'elle nécessite l'immobilisation dispositif électrolyse complet pendant un temps relativement important. Cette immobilisation engendre une perte de production importante et des coûts redémarrage très élevés pour la société qui utilise ces cuves d'électrolyse. Le but de l'invention de pallier ces inconvénients en fournissant un système refroidissement liquide permettant d'absorber l'énergie dégagée le circuit électrique à haute intensité, quelle que soit l'intensité du courant utilisé. Ce dispositif permet également d'isoler rapidement une cuve d'électrolyse sans immobiliser le circuit complet. La présente invention concerne un système de refroidissement d'un circuit électrique haute intensité destiné à alimenter un appareil de consommation de courant haute intensité. Ce système comprend un tube en métal conducteur en série et/ou en parallèle dans le circuit électrique, transportant courant haute intensité et un circuit de circulation liquide comprenant une pompe à débit variable entretenant une circulation du liquide dans le tube destiné à récupérer la chaleur dégagée par le passage du courant haute intensité dans ce tube et un échangeur de chaleur pour évacuer la chaleur récupérée dans le tube, le débit variable de la pompe pouvant être adapté en fonction de la valeur l'intensité du courant haute intensité. Le tube en métal conducteur, lorsqu'il est en série dans ledit circuit électrique, représente une portion importante du circuit électrique. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit de refroidissement est adapte a un circuit électrique à haute intensité alimentant des cuves d'électrolyse branchées en série, l'échangeur permettant un transfert de la chaleur du circuit vers l'électrolyte permettant ainsi de maintenir une température à l'intérieur bain empêchant la cristallisation de l'électrolyte. Les buts, objets et caractéristiques de l'invention sont précisés dans la description qui suit faite en référence aux dessins joints dans lesquels figure 1 représente une vue de face du dispositif refroidissement selon l'invention adapté à un circuit électrique à haute intensité alimentant une cuve d'électrolyse. figure 2 représente une vue de dessus du dispositif refroidissement selon l'invention, adapté à un circuit électrique à haute intensité alimentant une cuve d'électrolyse. Selon la figure 1, le circuit électrique haute intensite alimente plusieurs cuves à électrolyse en série. Le courant arrive de la cuve à électrolyse précédente par une barre d'alimentation 10, en métal conducteur qui peut être du cuivre ou de 'aluminium, connectée à l'électrode 12 de la cuve a électrolyse (non représentée). Cette barre d'alimentation est connectee à un sectionneur 13. L'électrode sert donc d'entree du courant haute intensité. Après son passage dans l'électrolyte, le courant est divisé en deux parties. moitie passe dans une électrode 14 et l'autre moitié dans une électrode 16. Ces deux électrodes servent donc de sortie courant haute intensité. Selon un autre mode de réalisation le sens de passage du courant dans les électrodes peut être inversé. De même, selon encore d'autres modes de réalisation la cuve peut disposer d'une seule électrode de sortie ou plus deux électrodes de sorties. Le courant qui passe dans l'électrode de sortie 14 rejoint ensuite un tube 18, connecte à cette électrode, appartenant au dispositif refroidissement selon l'invention. Par exemple, si le courant d'alimentation de la cuve à électrolyse est de 50 kA, à sortie celle-ci, 25 kA passent dans l'électrode de sortie 14 et tube de refroidissement 18 et 25 kA passent dans l'électrode de sortie 16. Le tube 18 est en métal conducteur. Selon un mode réalisation préférentiel, le métal utilisé est le cuivre ou l'aluminium. Ce tube sert également canalisation pour la circulation du liquide permettant ainsi le refroidissement du circuit électrique à haute intensité. liquide utilisé peut de l'eau avec ou sans additifs, de l'huile ou du glycol. Le raccordement du tube au circuit de refroidissement est détaillé à la figure 2. La fraction de courant qui passe dans le tube rejoint celle qui passe dans l'électrode de sortie 16 au niveau d'une barre d'alimentation 22. Cette barre permet le passage du courant à la cuve d'électrolyse suivante par l'intermédiaire d'un sectionneur 24. Ainsi, 50 kA vont alimenter la cuve suivante. Le courant revient par la barre d'alimentation 20. Lorsque la cuve à électrolyse doit être court-circuitée pour subir par exemple une opération de maintenance, il suffit de fermer l'interrupteur 11 et d'ouvrir le sectionneur 13. La barre d'alimentation 10 n'est donc plus alimentée et par conséquent la cuve à électrolyse non plus. Le courant provenant de la cuve précédente passe directement et en totalité dans le tube 18 et alimente la cuve suivante, via le sectionneur 24. Ainsi, dans cette configuration les 50 kA passent dans le tube 18. L'opération de court-circuitage d'une cuve à électrolyse se fait donc beaucoup plus aisément et ne nécessite pas l'immobilisation du dispositif d'électrolyse complet. Selon la figure 2, le tube de refroidissement 26 est reliée au circuit de refroidissement comportant une pompe 28 permettant de faire circuler le liquide de refroidissement, un échangeur 30 permettant de transmettre l'énergie, récupérée dans le tube de refroidissement 26 sous forme de chaleur, au bain de la cuve à électrolyse 32. Ces différents composants du circuit de refroidissement sont reliés entre eux par des tuyaux isolants souples ou rigides 34. Le liquide arrive au niveau de la pompe 28 et rejoint le tube de refroidissement 26. A ce niveau, le liquide a une température t1, Au fur et à mesure que le liquide circule dans le tube de refroidissement, sa température augmente jusqu'à atteindre une température t, Ce réchauffement est dû à la transmission au liquide de la chaleur dégagée par le courant haute intensité qui passe dans le tube de refroidissement et qui provient de l'électrode de sortie 36. Lorsque la cuve à électrolyse est en fonctionnement, l'intensité du courant transmis au tube de refroidissement est égale à 50 . de l'intensité du courant transmis à la cuve 32 par l'électrode d'entrée 38, connectée à la barre d'alimentation 39. Les 50 . restant sont véhiculés par la deuxième électrode de sortie 42. L'énergie récupérée par le liquide sous forme de chaleur correspond donc dans ce cas à l'énergie dégagée par 50 o du courant haute intensité. Si la cuve est court-circuitée, la totalité du courant est transmise au tube de refroidissement. Celle-ci est alors capable d'absorber l'énergie dégagée par la totalité du courant. En effet, même si l'intensité du courant passant dans le tube de refroidissement peut varier du simple au double, il est facile d'assurer une température constante du liquide en faisant simplement varier son débit dans le circuit de refroidissement. En fait, il n'est même pas nécessaire de faire varier le débit dans le circuit de refroidissement, la variation de température du liquide étant minime même dans le cas où la cuve est court-circuitée. Par exemple, si le tube de refroidissement est constituée par un tube de cuivre d'une surface totale de 8200 mm2, lorsque la cuve est fonctionnement, un courant d'une intensité égale à 25 kA dont la densité est de 6 A/mm2, permet de produire 1,3 kW/m de tube. L'augmentation de température correspondante de l'eau, utilisée comme liquide de refroidissement, est de 2,3 C par mètre de tube, pour un débit d'eau de 0,5 m3/h. Lorsque la cuve est court-circuitée, l'intensité du courant est de 50 kA. Pour une même densité de courant et un même débit d'eau, le circuit produit 5,4 kW/m, soit une augmentation de température de 9 C. Le liquide qui arrive à l'échangeur 30 a donc subi une augmentation de température variant selon que la cuve est branchée ou est court-circuitée. L'échangeur permet le transfert de l'énergie correspondant à l'augmentation de température du liquide vers le bain d'électrolyse. En effet, le bain d'électrolyse a besoin d'être maintenu à une température minimale, par exemple 40 C, afin d'éviter que l'électrolyte ne cristallise. Cette énergie de chauffage peut représenter 5 à 10 % de l'énergie totale. Lorsque la cuve est en fonctionnement, une partie de cette énergie est apportée par l'électrolyse elle-même. L'autre partie est apportée grâce à la chaleur récupérée par le circuit de refroidissement. Lorsque la cuve est court-circuitée, il est nécessaire de maintenir l'électrolyte à la même température. Cependant, on ne dispose plus de l'énergie dégagée par l'électrolyse. L'énergie est donc apportée en intégralité par le circuit de refroidissement. Le circuit de court-circuitage a une longueur de 4 mètres alors que le circuit d'alimentation de la cuve a une longueur de 8 mètres. Ainsi, lors du court-circuitage de la cuve, l'énergie globalement produite dans le tube de refroidissement est le double de la normale et compense donc l'absence d'énergie d'électrolyse pour maintenir l'électrolyte à la température voulue. Le tube de refroidissement selon l'invention, peut dans une autre application, être mis en contact avec une barre d'alimentation d'un circuit électrique haute intensité afin de la refroidir. Le tube de refroidissement, est connecté en parallèle avec la barre d'alimentation, dans le circuit haute intensité. Une partie du courant haute intensité passant normalement dans cette barre, est transmise dans le tube de refroidissement. L'énergie qui se dégage dans la barre d'alimentation est donc moins importante. De plus, cette énergie est transférée au liquide circulant dans le tube de refroidissement. L'énergie produite par la fraction de courant passant dans le tube de refroidissement est également transférée au liquide circulant dans ce tube. Cette adaptation permet donc d'augmenter la capacité électrique de la barre d'alimentation et de diminuer sa température tout en permettant la récupération de l'énergie produite au niveau de cette barre. Ce système s'adapte notamment aux circuits électriques haute intensité refroidis par un système de refroidissement à air classique. En effet, lorsque le refroidissement n'est plus optimal et qu'il est nécessaire de remplacer le système de refroidissement, l'adaptation du système de refroidissement liquide selon l'invention pour compenser cette faiblesse apparaît comme une solution beaucoup moins coûteuse. Bien que le système de refroidissement selon l'invention soit appliqué, dans les exemples, à un circuit électrique haute intensité de 50 kA, ce système s'applique plus généralement à des circuits électriques dont l'intensité va de 10 à 400 kA. Dans le cas d'un système de refroidissement à air classique, les barres de refroidissement devraient avoir une surface suffisante pour pouvoir dissiper l'énergie dégagée par le courant dont l'intensité est maximale lorsque la cuve est court-circuitée, même si l'opération de court-circuitage ne dure que quelques heures par an. De plus, la densité de courant dans les barres de refroidissement est limitée. En effet, dans des barres en aluminium, la densité est d'environ 0,5 A/mm2 . La surface de refroidissement est donc de 100 000 mm2 pour un courant de 50 kA, soit environ 300 kg/m de conducteur. Une telle installation est donc fort coûteuse. Un tel investissement est très peu rentable puisqu'une installation de ce type n'est utilisée à sa pleine mesure que très rarement, lorsque la cuve d'électrolyse est court- circuitée. Le dispositif selon l'invention permet donc de diminuer fortement les coûts de fabrication et d'installation du système de refroidissement du circuit électrique. I1 permet également de fortement diminuer son encombrement. De plus, il permet de court-circuiter facilement une cuve à électrolyse ou tout appareil électrique branché en série sur le circuit. Enfin, ce dispositif permet surtout de recycler l'énergie produite par le circuit électrique à haute intensité afin d'alimenter un appareil électrique en énergie et notamment de maintenir le bain d'une cuve à électrolyse à une température voulue, évitant ainsi la cristallisation de l'électrolyte contenu dans le bain. REVENDICATIONS 1. Système de refroidissement d'un circuit électrique haute intensité destiné à alimenter un appareil de consommation de courant haute intensité, caractérisé en ce qu'il comprend un tube en métal conducteur, en série et/ou en parallele dans ledit circuit électrique transportant le courant haute intensité et un circuit circulation de liquide comprenant une pompe à débit variable entretenant une circulation de liquide dans ledit tube destiné à récupérer la chaleur dégagée par le passage du courant haute intensité dans ledit tube et un échangeur de chaleur pour évacuer la chaleur récupérée dans ledit tube, le débit variable de la pompe pouvant être adapté en fonction de la valeur de l'intensité dudit courant haute intensité. . Système de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel ledit tube, en série dans ledit circuit électrique, représente une portion importante dudit circuit électrique. 3. Système de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit échangeur transmet ladite chaleur récupérée audit appareil de consommation de courant haute intensité. 4. Système de refroidissement selon la revendication 3, dans lequel ledit appareil de consommation de courant haute intensité est une cuve à électrolyse comprenant au moins deux électrodes. 5. Système de refroidissement selon revendication 4, dans lequel, lorsque ladite cuve à électrolyse est en fonctionnement, une électrode sert d'entrée dudit courant haute intensité et deux autres électrodes servent de sortie dudit courant haute intensité, ledit tube étant connecté à une desdites électrodes de sortie. . Système de refroidissement selon la revendication , dans lequel l'électrode d'entrée reçoit la totalité dudit courant haute intensité d'une barre d'alimentation en métal conducteur, ledit tube transportant un courant, en provenance de l'electrode de sortie à laquelle il est connecté, dont l'intensité est égale à la moitié de la totalité dudit courant haute intensité. . Système de refroidissement selon la revendication , dans lequel le métal conducteur constituant ladite barre en métal de l'aluminium ou du cuivre. . Système de refroidissement selon la revendication , dans lequel, lorsque ladite cuve à électrolyse est court- circuitée, l'entrée dudit courant haute intensité connectée directement audit tube, ledit tube transportant alors totalité dudit courant haute intensité. . Système de refroidissement selon l'une revendications précédentes, dans lequel le liquide utilisé dans circuit de refroidissement est de l'eau avec ou sans additifs, de l'huile ou du glycol. 10. Système de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le métal conducteur constituant le tube est du cuivre ou de l'aluminium.