Brevet FR2828980A1 — publié le 20030228

ressources. ECHANGEUR THERMIQUE A INDUCTION DESCRIPTION Domaine de l' invention L' invention se situe dans le domaine des échangeurs thermiques multitubulaires. Elle concerne plus particulière un tel échangeur dans lequel le moyen de chauffage est constitué par une pluralité de tubes chauffés par courant inductif. Arrière plan technologique Le chauffage par induction de pièces métalliques ou en matériau conducteur en particulier pour les amener à une température propice à leur transformation de forme est maintenant bien connu et bien maltrisé notamment en ce qui concerne les fréquences de courant inducteur permettant les meilleurs rendements énergétiques en fonction de la nature du matériau constituant la pièce à chauffer, sa forme et la nature du traitement thermique que l'on veut lui appliquer. Il est connu en particulier de chauffer des tubes conducteurs par induction. Le tube à chauffer est introduit dans un espace o peuvent être présents des champs d' induction formés par des inducteurs que l'on peut commander pour produire dans le tube des courants induits qui vont chanffer le tube de la manière et à la température souhaitées pour le traitement à appliquer au tube. Il est par ailleurs connu d'utiliser le chauffage par induction de façon indirecte pour chanffer des éléments chauffants par B13764.4 GB exemple des tubes qui eux-mêmes chauffent par conduction calorifique un produit au contact desdits éléments. Un exemple de dispositif de chanffage électrique d'un fluide circulant dans des tubes chanffés par induction de courant dans les tubes est décrit dans le brevet d' invention FR 2 741 773 attribué au présent déposant. Dans ce brevet les tubes forment le circuit secondaire d'un transformateur comportant un noyau magnétique en forme de cadre. Le cadre a des montants autour desquels sont enroulées des bobines inductrices primaires. Des paires de tubes sont disposées de part et d'autre de chaque montant. Les extrémités hautes et basses des tubes d'une paire sont reliées entre elles par une pièce conductrice en sorte que chaque paire de tubes forme un circuit électrique fermé dans lequel circule le courant du secondaire du transformateur. Ainsi chaque paire de tubes forme avec les pièces conductrices d'extrémité une spire d'un enroulement secondaire du transformateur. On peut donc considérer qu'il s'agit d'une variante de réalisation de tubes à passage de courant, dans lequel la source de courant est constitué par le primaire d'un transformateur. I1 est connu également que le chanffage par induction permet de bénéficier notamment d'une quasi instantanéité de la mise en route, de possibilités de contrôle et de réqulation de la puissance absorbée très fine, permettant un réglage précis de la température d'éléments chauffants. Brève description de l' invention I1 est connu que les courants induits qui se forment dans la pièce à chanffer ou l'élément chauffant B13764.4 GB s'opposent aux courants qui circulent dans les inducteurs. Selon l' invention, il est prévu un échangeur pour un fluide, dans lequel le fluide à réchauffer circule à l'intérieur ou à l'extérieur ou encore à la fois à l'intérieur et à l'extérieur d'une pluralité de tubes conducteurs. Pour cela il est prévu de disposer dans un espace ou est créé un champ magnétique variable par un ou plusieurs enroulements inducteurs une lO pluralité de tubes conducteurs. De la sorte une partie du champ magnétique formé par les courants dans chacun des tubes forme des courants pour les autres tubes en sorte que l'intensité du champs magnétique variable s'homogénéise à l'intérieur de l'inducteur. De plus du fait que les tubes sont groupés dans un espace dégagé il est possible d'inclure la partie chauffante des tubes dans une enceinte étanche et de faire circuler le fluide non seulement à l'intérieur des tubes mais aussi dans l'enceinte étanche. De la sorte la surface chanffante peut à volonté être constituée soit par la surface interne seule soit par la surface externe seule ou encore par les surfaces interne et externe des tubes. En résumé l' invention est relative à un échangeur comportant une surface d'échange conductrice chauffée par des courants induits par un ou plusieurs enroulements inducteurs alimentés par une ou plusieurs sources alternatives caractérisé en ce que la surface d'échange est constituée par une surface d'une pluralité de tubes conducteurs de l'électricité, cette pluralité de tubes étant disposée au moins pour une partie de leurs longueurs respectives à l'intérieur du Bl3764.4 GB ou des enroulements créant le champ magnétique inducteur. De la sorte la surface de chanffe est importante et on bénéficie d'un meilleur rendement énergétique. En règle générale la ou les sources dalimentation électrique seront des convertisseurs de fréquence du type à résonance. De préférence, les tubes sont parallèles entre eux et à une direction axiale OO' sur une partie de leur longueur située à l'intérieur des enroulements inducteurs, la direction axiale OO' étant la ligne axiale du ou des enroulements inducteurs. Le fluide à chanffer par conduction au contact des parois des tubes peut être logé ou circuler à l'intérieur des tubes. Dans ce cas chacun des tubes ayant deux extrémités, une première et une seconde, chacune des premières extrémités communique avec une première structure de raccordement et chacune des secondes extrémités communique avec une seconde structure de raccordement, chacune des première et seconde structure de raccordement raccordant l'intérieur de chacun des tubes à un conduit unique. Le fluide à chauffer par conduction au contact des parois des tubes peut aussi être logé ou circuler à l'extérieur des tubes. Dans ce cas une enceinte entoure de façon étanche la pluralité de tubes. Cette enceinte a des ouvertures la mettant en communication avec une première structure de raccordement raccordée à un premier conduit et avec une seconde structure de raccordement la mettant en communication avec un second B13764.4 GB conduit. Le fluide peut ainsi être amené dans les tubes par le second conduit et évacué des tubes par le premier conduit de façon continue ou discontinue au travers des seconde et première structures respectivement. Un ou plusieurs enroulements inductifs équipés de connexions permettant le raccordement de chaque enroulement à une source de courant variable sont disposés autour des tubes contenus dans l'enceinte, de façon à générer des courants inductifs dans lesdits tubes lorsqu'un courant variable parcourt les enroulements. Il convient de noter que les sources de courant inductif ne sont pas nécessairement identiques entre elles. En particulier il pourra se révéler intéressant de raccorder les enroulements à des sources de fréquences différentes les unes des autres. De façon optionnelle une encointe entoure de façon étanche la pluralité de tubes, cette enceinte ayant des ouvertures la mettant en communication avec une première structure de raccordement raccordée à un premier conduit et avec une seconde structure de raccordement raccordée à un second conduit en sorte qu'un fluide peut être introduit et évacué de l'enceinte en ayant été en contact avec la surface externe et/ou interne des tubes. Dans le cas général o une enceinte de l'échangeur est constituée par une paroi cylindrique, les tubes sont disposés parallèlement à l'axe de la paroi cylindrique, et les enroulements inductifs sont disposés réqulièrement le long des tubes à lextérieur ou à lintérieur de l'enceinte, ou encore certains d'entre eux peuvent être disposés à l'intérieur et B13764.4 GB d'autres à l'extérieur de l'enceinte. Les enroulements ont de préférence pour axe, l'axe de la paroi cylindrique. De façon optionnelle des culasses magnétiques peuvent être introduites dans l'échangeur. Dans une configuration préférée les tobes sont disposés parallèlement à un axe commun de façon réqulière. Dans cette configuration, les centres des tubes d'une section droite de l'ensemble des tubes perpendiculairement à l' axe des tubes, se trouvent au sommet de un ou plusieurs polygones réquliers inscrits dans un cercle ou plusieurs cercles concentriques. Dans cette configuration, la culasse peut prendre la forme de deux blocs de matériau magnétique disposés au centre des polygones réquliers et espacés entre eux de façon à canaliser les lignes du champ magnétique produit par les enroulements inductifs. Brève description des dessins Un exemple de réalisation de l' invention sera maintenant décrit en regard des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe longitudinale selon la ligne BB de la figure 2 d'un échangeur selon l' invention. - la figure 2 est une coupe tranevereale selon la ligne AA de la figure 1 d'un échangeur selon l' invention. - la figure 3 est une demi coupe longitudinale partielle et schématique destinée à montrer l'intérêt de prévoir plusieurs enroulements raccordés chacun à B13764.4 GB une source de courant qui lui est propre ou en parallèle avec d'autres enroulements. - la figure 4 est une demi coupe longitudinale partielle et schématique destinée à montrer une forme de réalisation de l' invention dans laquelle le fluide à réchauffer circule autour des tubes de chanffage. - la figures 5 est une coupe longitudinale partielle et schématique destinée à montrer l'intérêt de prévoir des culasses magnétiques au centre d'un espace délimité par les tubes. Description détaillée de modes de réalisation de l' invention La figure 1 représente une coupe longitudinale selon la ligne BB de la figure 2 d'un échangeur 100 selon l' invention. Une pluralité 2 de tubes 3 de préférence parallèles entre eux comme représenté figure 1 est entouré sur une partie de sa longueur de un ou de préférence plusieurs enroulements inductifs 4. Chaque enroulement est équipé de moyens de raccordement électrique non représentés à une source de courant non représentée. Sur la figure 1 les sections droites des conducteurs constituant le ou de préférence les enroulements inductifs 4 sont symbolisés par des points noirs. Les tubes 3 sont droits, d'égales longueurs et parallèles à une direction axiale OO' de la pluralité 2 de tobes 3. Les tubes 3 sont de préférence comme représenté figures 1 et 2 disposés selon une symétrie de révolution autour de l'axe OO'. Chaque tube 3 a deux extrémités une première 5, et une seconde 6. De B13764.4 GB préférence les tubes 3 sont équipés entre leurs deux extrémités au moins pour partie d'entre eux de capteurs 18 de température. De préférence l'un au moins des tubes 3 est muni de plusieurs capteurs 18 de température le long de sa longueur. Chacune des premières extrémités 5 est encastrée dans une plaque tubulaire 7 en sorte qu'un fluide peut passer au travers de cette plaque et être en communication avec l'intérieur des tubes 3. De même chacune des secondes extrémités 6 est encastrée dans une plaque tubulaire 8 en sorte qu'un fluide peut passer au travers de cette plaque 8 et être en communication avec l'intérieur des tubes 3. La plaque tubulaire 7 est équipée d'un trou non traversant 28 centré sur l'axe OO'. Une structure 9 en forme d'entonnoir est constituée par une paroi tronconique 10 centrée sur l'axe OO'. La paroi tronconique 10 a une première extrémité 11 ayant une ouverture large et une seconde extrémité 12 ayant une -ouverture étroite. Les ouvertures sont qualifiées large et étroite l'une par rapport à l'autre. La première extrémité 11 de la paroi tronconique 10 ayant une ouverture large est prolongée par une paroi cylindrique 13 venant s'encastrer -de façon étanche dans le trou non travereant 28 de la plaque tubulaire 7. La seconde extrémité 12 de la paroi tronconique 10 ayant une ouverture étroite est prolongée par une paroi cylindrique 14. La paroi cylindrique 14 forme un conduit 14 d'évacuation d'un fluide en provenance des tubes 3. Le conduit 14 comporte une vanne 15 permettant d'ouvrir ou de fermer le conduit. Le conduit 14 est terminé par des moyens 17 B13764.4 GB de raccordement permettant de raccorder l'échangeur à un conduit extérieur non représenté. De même une structure 9' en forme d'entonnoir est constituée par une paroi tronconique 10' centrée sur l'axe OO'. La paroi tronconique 10' a une première extrémité 11' ayant une ouverture large et une seconde extrémité 12' ayant une ouverture étroite. La première extrémité 11' de la paroi tronconique 10' ayant une ouverture large est prolongée par une paroi cylindrique 13' venant s'encastrer de façon étanche dans un trou non traversant 28' de la plaque tubulaire 8. La seconde extrémité 12' de la paroi tronconique 10' ayant une ouverture étroite est prolongée par une paroi cylindrique 14'. La paroi cylindrique 14' forme un conduit 14' d'amenée d'un fluide à réchauffer de l'extérieur vers l'intérieur des tubes 3 au travers de la plaque tubulaire 8. Le conduit 14' peut comporter une vanne permettant d'ouvrir ou de fermer le conduit 14'. Le conduit 14' est terminé par des moyens 17' de raccordement permettant de raccorder l'échangeur 100 à un conduit extérieur non représenté. Les structures 9, 9' comportant respectivement les éléments 10-15, 10'15' forment les moyens de raccordement de l'échangeur à des conduits extérieurs d'évacuation et d'amenée d'un fluide. La plaque tubulaire 7 comporte 4 bras 16 de maintien mécanique de spires constituant ensemble la ou les enroulements inductifs 4. Ces bras 16 sont disposés perpendiculairement à la plaque 7, c'est à dire parallèlement à l'axe OO'. La figure 2 est une coupe transversale selon la ligne AA de 1'exemple d'échangeur représenté figure 1. B13764.4 GB Elle est destinée à montrer un exemple de dispositions de tubes 3 les uns par rapport aux autres. Naturellement d'autres configurations sont possibles. Dans l'exemple représenté figure 2, les tubes 3 ont le même diamètre. Cette caractéristique non obligatoire permet de simplifier la fabrication et les approvisionnements. Les centres des sections des tubes sont situés sur des cercles concentriques centrés sur l'axe OO'. Sur chaque cercle les centres des sections des tubes 3 sont situés aux sommets d'un polygones réqulier inscrit dans le cercle. Dans l'exemple représenté figure 2, il y a cinq cercles concentriques, et les polygones réquliers sont, sur chaque cercle, des octogones, en sorte qu'il y a le méme nombre de tubes, soit 8 tubes 3, centrés sur chaque cercle. Au total il y a 40 tubes 3. Du fait que à proximité du centre les diamètres des cercles sont plus petits, la densité de tubes est plus grande au centre qu'à la périphérie de l'échangeur. Dans l'exemple représenté figure 2 les tubes de deux cercles immédiatement voisins l'un de l'autre sont disposés en quinconce les uns par rapport aux autres. Le fonctionnement est le suivant: Un fluide à traiter thermiquement est envoyé par les moyens damenée 9' dans les tobes 3 au travers de la plaque tubulaire 8 et est évacué par les moyens dévacuation 9 au travers de la plaque tubulaire 7. De préférence le chauffage du fluide est effectué en continu, c ' est à dire que la vanne 15 d' évacuation et éventuellement une vanne d'amence sont ouvertes et que le fluide entre et sort en permanence de l'échangeur selon un mouvement continu. Naturellement la B13764.4 GB circulation du fluide introduit dans l'échangeur, pourrait être discontinue. Dans ce cas le fluide est immobilisé pendant une période de chauffage puis évacué. Chacun des enroulements 4 est traversé par un courant variable qui induit des courants dans les tubes 3. Ces tubes chauffent. Pendant la durée du contact avec les tubes 3, le fluide est réchanffé par les tubes chauds 3. Le fluide devient de plus en plus chaud au fur et à mesure qu'il se rapproche de la structure d'évacuation 9. Le fait de disposer de plusieurs enroulements indépendants, c'est à dire raccordés chacun à leur propre source de courant permet un pilotage en température par zone comme expliqué ci-après. Les capteurs de température 18 sont une partie d'une boucle d'asservissement en température permettant de piloter la température des tubes 3 autour de la zone o se trouve le capteur de température. Sur la figure 3 on a représenté une demi vue d'une partie de tubes 3 dont l'un référencé 31 est équipé d'un premier capteur 18-1 situé à un premier niveau et d'un second capteur 18- 2 situé à un second niveau. Des enroulements 41, 42 indépendants l'un de l'autre, sont situés sensiblement au droit des capteurs 18-1, 18-2 respectivement. Selon l'écart entre une température souhaitée au niveau du capteur 18-1 et une température réelle mesurée par ce capteur on commandera une variation de l'intensité moyenne du courant inducteur délivré par la source S1 circulant dans l'enroulement 41 situé au droit du capteur 18-1. A cette fin la source S1 inclut des moyens de réqulation en eux même connus et non représentés recevant l' indication de température ou de B13764.4 GB l'écart de température par rapport à une valeur théorique. Du fait que la source S1 d'alimentation électrique de l'enroulement 41 est indépendante, il est possible de modifier la quantité de chaleur transmise par l'échangeur uniquement au niveau o se situe le capteur 18-1. I1 en va de même pour la zone située autour du capteur 18-2, de son enroulement indépendant 42 et de sa source d'alimentation non représentée S2. Naturellement le nombre de capteurs le long d'un tube n'est pas limité. Si l'on dispose plusieurs capteurs à un même niveau sur plusieurs tubes, l'enroulement situé à ce niveau pourra être piloté en courant en fonction de la valeur d'une combinaison faisant intervenir les différentes valeurs mesurées par les différents capteurs situés à ce niveau. Ainsi dans ce mode de réalisation, un ou plusieurs tubes sont équipés d'un ou plusieurs capteurs de température ayant chacun une sortie couplée à des moyens de réqulation de la puissance électriques alimentant un ou plusieurs enroulements. Naturellement on pourra aussi disposer un ou plusieurs capteurs de température au niveau par exemple du conduit d'évacuation 14 de fluide et piloter une ou plusieurs sources en fonction des valeurs ou des écarts de valeurs déterminés à partir de ces capteurs. Une variante de réalisation de l' invention sera maintenant expliquse en relation avec la figure 4. Cette figure représente la partie haute d'un échangeur tel que représenté figure 1. Sur la figure 4 les éléments ayant même fonction que ceux décrits en liaison avec la figure 1 portent les mêmes numéros de référence. I1 ne seront pas décrits à nouveau. B13764.4 GB Dans cette variante de réalisation la plaque tubulaire 7 comporte un trou non traversant supérieur 28 comme décrit en relation avec la figure 1, permettant le raccordement étanche de la structure de raccordement 9. Elle comporte aussi un trou non traversant inférieur 20 permettant le raccordement étanche d'une paroi cylindrique 21. La paroi cylindrique 21 entoure la pluralité 2 de tubes 3. La paroi cylindrique 21 est également raccordée de façon étanche à la plaque tubulaire inférieure 8. Chacune des plaques tubulaires supérieure 7 et inférieure 8 est percée de trous traversants 22 dans la partie de plaque se trouvant à la fois à l'intérieur de la partie délimitée par la structure de raccordement 9, 9' respectivement et à l'intérieur de la partie délimitée par la paroi cylindrique 21. Cette configuration permet à du fluide arrivant par la structure de raccordement 9' d'être introduit par des trous traversants 22' de la plaque 7 dans une enceinte 25 chanffante délimitée par la paroi cylindrique 21 et les plaques tubulaires 7, 8, puis évacuée vers la structure de raccordement 9 par les trous traversants 22. On bénéficie ainsi dune surface de chauffe doublée puisque formée des surfaces intérieure et extérieure des tubes 2. Ainsi selon çe mode de réalisation une enceinte entoure de façon étanche la pluralité 3 de tubes 2. Cette enceinte a des ouvertures la mettant en communication avec la première structure 9 de raccordement raccordée au premier conduit 14 et avec la seconde structure 9' de raccordement raccordée au second conduit 14' en sorte quun fluide peut être introduit et évacué de l'enceinte en ayant été en contact avec les surface B13764.4 GB externe et interne des tubes 2. Si dans cette variante de réalisation, pour une raison quelconque, par exemple pour des difficultés de nettoyage, on ne souhaite pas faire passer le fluide dans les tubes 2, il suffit que les tubes 2 ne débouchent pas dans les structures de raccordement 9, 9'. La paroi cylindrique 21 peut être conductrice sur une partie de sa surface, c'est à dire formée par des parties conductrices reliées entre elles par des parties non conductrices. Elle peut aussi étre faiblement conductrice ou non conductrice de l'électricité. L'essentiel est qu'elle n'empéche pas la formation des courants induits dans les tubes 2 par les courants inducteurs circulant dans les enroulements inducteurs 4. De préférence afin d'améliorer la forme des lignes du champ magnétique créé par les enroulements inducteurs 4, on pourra disposer comme représenté de façon schématique figure 5 deux masses 23 en matériau magnétique, par exemple ferro-magnétique, centrées sur l'axe OO' et sensiblement aux niveaux des terminaisons des enroulements inducteurs 4 comme représenté figure 5. De la sorte les lignes de champ sont canalisées le long de l'axe OO' sur toute la longueur des tubes.2 située à l'intérieur des enroulements 4. On améliore ainsi la répartition de la puissance transmise à chaque tube. B13764.4 GB REVENDICATIONS 1. Echangeur (100) comportant une surface d'échange conductrice de l'électricité chanffée par des courants induits par un ou plusieurs enroulements inducteurs (4, 41, 42) alimentés par une ou plusieurs sources alternatives (S1) caractérisé en ce que la surface d'échange est constituée par une surface d'une pluralité (2) de tubes (3) conducteurs de l'électricité, cette pluralité (2) de tubes (3) étant disposée au moins pour une partie de leurs longueurs respectives à l'intérieur du ou des enroulements (4, 41, 42) créant le champ magnétique inducteur. 2. Echangeur (100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que la ou les sources (S1) d'alimentation électrique sont des convertisseurs de fréquence du type à résonance. 3. Echangeur (100) selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les tubes (3) sont parallèles entre eux et à une direction axiale OO' sur une partie de leur longueur située à l'intérieur des enroulements (4, 41, 42) inducteurs, la direction axiale OO' étant la ligne axiale du ou des enroulements inducteurs (4, 41, 42). 4. Echangeur (100) selon la revendication 3 caractérisé en ce que les tubes (3) sont disposés sur des cercles concentriques aux sommets de polygones réquliers inscrits dans chacun des cercles. B13764.4 GB 5. Echangeur (100) selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'il y a le même nombre de tubes (3) sur chacun des cercles concentriques. 6. Echangeur (100) selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que chacun des tubes (3) a deux extrémités (5, 6), une première (5) et une seconde (6), chacune des premières extrémités (5) communicant avec une première structure de raccordement (9) et chacune des secondes extrémités (6) communiquant avec une seconde structure de raccordement (9'), chacune des première et seconde structures (9, 9') de raccordement mettant en communication l'intérieur de chacun des tubes (3) avec un conduit (14, 14'). 7. Echangeur (100) selon l'une des revendications 3 à 5 caractérisé en ce que une enceinte (25) entoure de façon étanche la pluralité de tubes, cette enceinte (25) ayant des ouvertures (22) la mettant en communication avec une première structure de raccordement (9) raccordée à un premier conduit (14) et avec une seconde structure de raccordement (9') raccordée à un second conduit (14') en sorte quun fluide peut être introduit et évacué de l'enceinte (25) en ayant été en contact avec la surface externe des tubes (3). 8. Echangeur (100) selon la revendication 6 caractérisé en ce que une enceinte (25) entoure de façon étanche la pluralité (2) de tubes (3), cette enceinte (25) ayant des ouvertures (22) la mettant en communication avec la première structure (9) de raccordement raccordée au premier conduit (14) et avec B13764.4 GB la seconde structure (9') de raccordement la mettant en communication avec le second conduit (14') en sorte quun fluide puisse être introduit dans l'enceinte (25) et étre au contact des surfaces interne et externe des tubes (3). 9. Echangeur (100) selon l'une des revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que l'enceinte (25) est formée par une paroi cylindrique (21) d' axe OO' ayant deux extrémités une première et une seconde et par une première (7) et une seconde (8) plaques tubulaires, la première extrémité de la paroi (21) cylindrique étant raccordée de façon étanche à la première plaque tobulaire (7), cette première plaque (7) recevant la première extrémité des tubes (3), la seconde extrémité de la paroi cylindrique (21) étant raccordée de fa,con étanche à la seconde plaque tubulaire (8), cette seconde plaque (8) recevant la seconde extrémité des tubes (3), en sorte qu'un fluide puisse étre requ à l'intérieur des tubes (3) au travers de la seconde plaque tubulaire (8) et évacué au travers de la première plaque tubulaire (7). 10. Echangeur (100) selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que un -ou plusieurs tubes (3) sont équipés d'un ou plusieurs capteurs de température (18) ayant chacun une sortie couplée à des moyens de réqulation de la puissance électrique alimentant un ou plusieurs enroulements. 11. Echangeur (100) selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que un conduit d'évacuation du fluide contenu dans la cuve est équipé B13764.4 GB dun ou plusieurs capteurs de temperature ayant chacun une sortie couplée à des moyens de regulation de la puissance électrique alimentant un ou plusieurs enroulements (4, 41, 42). 12. Echangeur (100) selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte deux masses magnétiques (23) centrées sur l'axe 00'.