Brevet FR2857522A1 — publié le 20050114

INSTALLATION DE TRAITEMENT PAR INDUCTION D'UN FLUIDE FAIBLEMENT CONDUCTEUR La présente invention concerne les installations de brassage de fluides faiblement conducteurs tels que du plasma gazeux ou du verre en fusion. L'invention concerne plus particulièrement une telle installation ayant recours à un creuset inductif pour chauffer par induction un corps disposé dans le creuset de manière à maintenir le corps sous forme d'un fluide. De nombreux domaines techniques sont concernés par la manipulation de fluides, et notamment leur brassage. Des moyens mécaniques de brassage tels que des hélices sont connus, mais de tels moyens sont peu commodes pour brasser des fluides corrosifs tels que des fluides à haute température, car la corrosion nécessite de remplacer régulièrement les moyens de brassage. En outre, les déchets de corrosion affectent la pureté du fluide brassé, ce qui peut être indésirable. Un objet de la présente invention est de prévoir une installation utilisant des moyens non mécaniques de brassage de fluides faiblement conducteurs, en particulier de fluides corrosifs. L'invention vise également à proposer une solution qui 20 soit compatible avec un chauffage du fluide par induction. Pour atteindre ces objets, ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une installation de traitement par induction apte à réaliser un brassage électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur, comportant: une enceinte cylin- drique apte à recevoir le fluide; un premier enroulement comprenant deux premiers bobinages respectivement formés autour de deux premières zones distinctes de l'enceinte et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du premier enroulement étant aptes à être reliées aux bornes d'un premier condensateur et aux bornes d'une source de tension alternative; et au moins un deuxième enroulement comprenant deux deuxièmes bobinages respectivement formés autour de deux deuxièmes zones distinctes de l'enceinte dont l'une est située entre les deux premières zones de l'enceinte, et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du deuxième enroulement étant aptes à être reliées aux bornes d'un deuxième condensateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide faiblement conducteur présente une résistivité comprise entre 20 10-3 et 1 Q.m. Selon un mode de réalisation de l'invention, les valeurs des premier et deuxième condensateurs sont fonction de la fréquence de la source de tension et de l'épaisseur de peau souhaitée à l'intérieur de l'enceinte. Selon un mode de réalisation de l'invention, les inductances combinées des premier et deuxième enroulements sont choisies de manière à produire un échauffement prédéterminé d'un corps disposé dans l'enceinte, ledit échauffement étant apte à maintenir ledit corps sous forme d'un fluide. Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide faiblement conducteur est un plasma gazeux. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est disposée verticalement et la source de tension est commandée de telle manière que les enroulements génèrent un champ électromagnétique soumettant le plasma situé à proximité des parois de l'enceinte à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte un moyen pour introduire une poudre dans le plasma. Selon un mode de réalisation de l'invention, le fluide 5 faiblement conducteur est un verre liquide. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est disposée verticalement et la source de tension est commandée de telle manière que les enroulements génèrent un champ électromagnétique soumettant le verre liquide situé à proximité des parois de l'enceinte à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte un moyen pour introduire une poudre dans le verre liquide. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est un creuset froid inductif. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'enceinte est un creuset en matériau réfractaire. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente, de façon schématique et en coupe, une installation selon la présente invention appliquée au brassage de verre liquide; la figure 2 illustre le circuit électrique de l'installation de la figure 1; la figure 3 est une vue partielle en perspective d'un creuset froid inductif selon la présente invention en cours de fonctionnement; et la figure 4 représente, de façon schématique et en coupe, une installation selon la présente invention appliquée au brassage de plasma gazeux. De mêmes références représentent de mêmes éléments aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments nécessaires à la compréhension de la présente invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. On notera que l'invention s'applique aussi bien à un creuset froid ou à un creuset réfractaire. Plus généralement, on notera que l'invention peut être mise en oeuvre dans toute installation utilisant un moyen inductif autour d'une enceinte contenant un fluide faiblement conducteur, à des fins d'organisation des mouvements du fluide. Une caractéristique de la présente invention est d'organiser un brassage turbulent inductif au moyen d'enrou- lements conducteurs entourant un creuset contenant le fluide faiblement conducteur. Selon l'invention, chaque enroulement comprend au moins deux bobinages reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés et imbriqués avec les bobinages des autres enroulements, un seul des enroulements étant alimenté par une source alternative et les bornes de chaque enroulement étant reliées par un condensateur. Au sens de la présente invention, un fluide faiblement conducteur est un milieu présentant une résistivité électrique comprise entre environ 0,1 et 100 S2.cm (10-3 et 1 5"2.m). Il s'agit, par exemple, de verre en fusion, de plasma gazeux, d'eau salée, etc... Le domaine de la métallurgie utilise des installations électromagnétiques pour le brassage de métaux en fusion, dont la résistivité électrique est de l'ordre de 1 à 160 S2. cm (10-8 à 1,6.10-6 S2.m). Dans ce domaine, on considère que l'épaisseur de peau magnétique doit être faible par rapport au diamètre du contenant (de l'ordre de 10 à 100 fois plus faible) pour permettre un brassage du fluide. L'épaisseur de peau est l'épaisseur dans laquelle les effets d'un champ électro- magnétique se concentrent sur les bords d'un bain. Cette épais- seur de peau dépend, notamment, de la résistivité électrique du fluide et de l'inverse de la fréquence du champ électro- magnétique. Dans les métaux en fusion, les forces exercées par le champ électromagnétique dans l'épaisseur de peau magnétique, combinées aux forces hydrostatiques dans le bain, génèrent un brassage turbulent. Par exemple, le document WO 0051400 décrit une installation de brassage par induction de métaux liquides ayant des épaisseurs de peau de l'ordre de 1 à 10 millimètres dans un creuset de 10 centimètres de diamètre. Ce document prévoit un champ électromagnétique glissant, généré par des inducteurs polyphasés alimentés par une source de tension alternative monophasée à une fréquence choisie entre quelques dizaines de hertz et quelques dizaines de kilohertz. Un apport des inventeurs a été de montrer que, contrairement à un préjugé répandu parmi les spécialistes du domaine de l'induction électromagnétique, il est possible de mettre en oeuvre un brassage par induction électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur. La résistivité électrique d'un fluide faiblement conducteur (par exemple, du verre liquide) étant sensiblement un million de fois plus élevée que celle d'un métal liquide, on considérait jusqu'alors qu'il aurait fallu utiliser des champs électromagnétiques à des fréquences de plus de cent gigahertz pour obtenir une faible épaisseur de peau, ce qui n'est en pratique pas réalisable. De façon surprenante et contrairement à un préjugé répandu, les inventeurs ont obtenu un brassage turbulent de fluides faiblement conducteurs avec des épaisseurs de peau importantes, du même ordre de grandeur que le rayon de l'enceinte contenant le fluide. Ainsi, pour les inventeurs, une structure semblable à la structure de l'installation décrite dans le document WO 0051400, une fois modifiée pour fonctionner à une fréquence appropriée (de préférence comprise entre environ 0,1 MHz et environ 20 MHz), est apte à mettre en oeuvre un brassage électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur tel que du verre liquide, un plasma gazeux ou de l'eau salée, ayant une résistivité comprise entre 0,1 et 100 S2. cm (10-3 et 1 S2.m), et de préférence comprise entre 1 et 10 S2.cm (10-2 et 10-1 S).m). La figure 1 représente, de façon schématique et en coupe, l'application au brassage de verre liquide d'une installation selon un premier mode de réalisation de la présente invention. L'installation comporte une enceinte 1 destinée à contenir le verre liquide, telle qu'un creuset froid refroidi par la circulation d'un liquide à l'intérieur de la paroi du creuset. Les détails constitutifs des parois du creuset n'ont pas été représentés par souci de clarté. En particulier, les moyens de circulation du liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, dans l'épaisseur des parois n'ont pas été illustrés. Afin d'éviter le bouclage des courants induits, le pourtour du creuset est de préférence formé de plusieurs secteurs verticaux assemblés les uns aux autres. Selon la présente invention, un premier enroulement 5 est bobiné autour du creuset 1 et est raccordé par ses deux extrémités aux bornes d'un générateur alternatif monophasé 3 en parallèle avec un condensateur C. L'enroulement 5 est constitué d'au moins deux bobines 51 et 52 reliées en série opposition, c'est-à-dire par exemple enroulées autour du creuset 1 dans des sens opposés depuis un point commun. Au moins un deuxième enroulement 6 est également bobiné autour du creuset 1 et est raccordé, par ses deux extrémités, aux bornes d'un condensateur C'. Ce deuxième enroulement 6 comporte, comme le premier enroulement 5, au moins deux bobines 61, 63 reliées en série opposition. Les enroulements 5 et 6 sont imbriqués l'un dans l'autre, c'est-à-dire que les bobines sont disposées succes- sivement dans la hauteur du creuset de façon à alterner une bobine du premier enroulement avec une bobine du deuxième enroulement. Dans l'exemple d'un système diphasé tel que représenté à la figure 1, on trouve ainsi depuis le haut du creuset 1: le premier bobinage 61 de l'enroulement 6, le premier bobinage 51 de l'enroulement 5, le deuxième bobinage 62 de l'enroulement 6 et le deuxième bobinage 52 de l'enroulement 5. Selon la présente invention, le deuxième enroulement 6 joue le rôle d'un circuit induit dont l'énergie provient du premier enroulement 5. La figure 2 représente le circuit électrique de l'ins- tallation de la figure 1. Cette figure reprend les éléments décrits en relation avec la figure 1 et illustre par une vue en perspective le sens des bobines des enroulements 5 et 6 en série opposition. On notera que, à la figure 1, le sens de circulation du courant dans les bobines respectives a été indiqué par les notations habituelles (x, .) en électromagnétisme. L'enroulement 5 forme, avec le condensateur C, un premier circuit oscillant connecté au générateur 3 et constituant une première phase d'excitation du système polyphasé. Le deuxième enroulement 6, décalé spatialement par rapport au premier enroulement 5 forme, avec le condensateur C', un deuxième circuit oscillant. Ce deuxième circuit oscillant se trouve en interaction magnétique par sa mutuelle inductance avec le premier circuit oscillant. On peut alors, par dimensionnement, faire en sorte que le champ magnétique résultant de la superposition des deux phases en présence soit un champ glissant susceptible d'engendrer une force motrice électromagnétique de pompage sur le verre liquide contenu dans le creuset 1. Les enroulements 5 et 6 permettent également de générer dans le verre des courants de Foucault qui maintiennent le verre en fusion, comme dans un creuset à induction classique. Les dimensionnements respectifs des enroulements et des condensateurs dépendent de l'application et, en particulier, de la fréquence du générateur 3 et du diamètre du creuset 1, sachant que l'épaisseur de peau dans le fluide peut être du même ordre de grandeur que le rayon du creuset. De préférence, le nombre de spires des bobines d'un même enroulement est identique. L'optimisation du système en fonction de l'application est à la portée de l'homme du métier en mettant en application les règles de fonctionnement électrique et électromagnétique à s partir des inductances respectives, des résistances respectives et des condensateurs respectifs des circuits oscillants, ainsi que de la mutuelle inductance de ces deux circuits et de la pulsation du générateur monophasé. Pour obtenir un effet de champ glissant linéaire per-mettant l'effet de pompage en périphérie du contenant, on cherchera, de préférence, à ce que les produits LC w 2 et L'C'w2, où L et L' représentent les inductances respectives des enroulements 5 et 6 et où w représente la pulsation du générateur monophasé 3, soient le plus proche possible de l'unité afin d'optimiser le fonctionnement des circuits oscillants. Un avantage de ce premier mode de réalisation est de permettre de brasser du verre liquide, très corrosif, sans devoir introduire des moyens mécaniques de brassage dans le verre. Ce mode de réalisation trouve des applications dans tous les domaines industriels mettant en oeuvre le mélange de verre liquide avec d'autres corps, par exemple le domaine du traitement des déchets nucléaires, dans lequel des déchets, généralement réduits à l'état de poudre, sont mélangés à du verre liquide qui est ensuite solidifié et stocké. En outre, comme l'illustrent les flèches de la figure 2, un choix approprié du sens du courant dans les bobinages permet de brasser le verre liquide selon un mouvement centripète en partie supérieure. Les inventeurs ont montré que, du fait de la répartition de la chaleur dans le verre, plus élevée au centre que sur les bords, le brassage centripète précédent favorise une inclusion homogène dans le verre d'une poudre 7 déversée au niveau du centre du creuset, ce qui représente un autre avantage de l'invention. Un autre avantage de l'installation selon l'invention est de ne nécessiter qu'un seul générateur monophasé pour générer le champ magnétique de brassage. Un tel générateur est moins coûteux et moins complexe qu'un générateur biphasé constitué de deux générateurs synchronisés par des éléments actifs. Un autre avantage de la présente invention est que la synchronisation de la phase induite (phase obtenue par l'enroulement secondaire), ou des phases induites dans le cas où plusieurs enroulements secondaires sont utilisés, ne pose pas de problème particulier. Un autre avantage de la présente invention est que le système est particulièrement stable une fois adapté à l'application. En effet, les éléments passifs (inducteurs et condensateurs) utilisés par la présente invention pour générer la ou les phases supplémentaires ne risquent pas de se dérégler comme cela pourrait être le cas d'éléments actifs (commutateurs haute puissance). La figure 3 illustre, par une vue en perspective et en coupe, la structure schématique du creuset froid inductif de la figure 1. Cette figure fait apparaître les secteurs (s) du creuset 1 qui sont isolés électriquement les uns des autres. Dans l'exemple de la figure 3, chaque bobine 61, 51, 62, 52 comporte quatre spires. La représentation de la figure 3 illustre que le nombre de roues de brassage du verre dépend du nombre de secteurs du creuset. Ainsi, non seulement la présente invention permet de favoriser l'inclusion des particules au centre du bain par un brassage centripète, mais, dans cette application, le brassage est également favorisé par la structure sectorisée du creuset qui améliore le mélange. Les vitesses de brassage dépendent de l'intensité des courants il et i2, donc de l'intensité du courant fourni par le générateur 3. On notera que, selon la présente invention, il n'est pas nécessaire d'avoir un déphasage de 90 entre les deux circuits oscillants. Un déphasage de l'ordre de 20 à 40 est suffisant en terme d'efficacité pour le brassage opéré. On notera également que l'angle de phase entre les deux circuits oscillants est réglable par les valeurs respec- tives des condensateurs et des inductances utilisés. Toutefois, comme cela a été indiqué précédemment, cet angle de phase est stable une fois fixé par les dimensionnements de ces éléments. En pratique, lorsque l'application concerne un chauffage par induction, on commencera de préférence par fixer les valeurs requises pour les inductances respectives des enroulements. Ces valeurs conditionnent en effet le chauffage du verre liquide ou autre fluide. On tiendra cependant compte de l'existence de la phase induite qui participe également au chauffage. On fixe ensuite les valeurs respectives des condensa- teurs C et C' en fonction de la fréquence du générateur monophasé et de l'épaisseur de peau souhaitée, qui dépend du diamètre du creuset 1 et qui pourra être du même ordre de grandeur que le rayon du creuset. On notera que les rapports respectifs entre les inductances des enroulements et les condensateurs C et C' doivent être compatibles avec l'impédance de sortie du générateur monophasé 3. A titre d'exemple particulier de réalisation, pour un creuset ayant un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres et pour un générateur monophasé ayant une fréquence de fonctionnement de l'ordre de 400 kHz, on pourra utiliser des condensateurs ayant des valeurs de l'ordre de 0,2 pF avec des enroulements dont les inductances propres respectives sont de l'ordre de 0,2 pH et dont les résistances sont de l'ordre de 80 mit. Dans un tel exemple, on obtient un déphasage de l'ordre de 20 entre les courants il et i2 des enroulements respectifs, et un rapport des amplitudes des courants de l'ordre de 1. La figure 4 représente, de façon schématique et en coupe, un exemple d'application de l'invention au brassage d'un plasma gazeux. L'installation comporte une enceinte 1 destinée à contenir le plasma gazeux, autour de laquelle sont formés au moins deux enroulements imbriqués 5 et 6 respectivement aptes à être reliés à un condensateur C en parallèle avec une source de tension alternative et à un condensateur C' seul, reliés entre eux et fonctionnant sensiblement de la même manière que les éléments portant les mêmes références en figure 1. L'enceinte 1, étanche et de préférence réalisée en un matériau tel que le quartz, comporte un moyen 8 d'introduire à la verticale du centre du plasma une poudre 9 à traiter par le plasma. Selon ce mode de réalisation de l'invention, la fré- quence de la source de tension et les caractéristiques des enroulements 5 et 6 et des condensateurs C et C' sont choisies de telle manière que le champ électromagnétique généré par les enroulements 5 et 6, non seulement échauffe le gaz par courants de Foucault mais également confine le plasma ainsi formé tout en créant dans le plasma des forces de brassage centripètes. Les inventeurs ont montré que les forces de brassage centripètes permettent un mélange de la poudre 9 de l'intérieur vers l'extérieur du plasma et favorisent un traitement efficace de la poudre par le plasma. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec un système diphasé, elle peut également être mise en oeuvre avec plus de deux phases. A cet égard, on notera que plus le nombre de phases est important, plus le système est contrôlable, par exemple, pour brasser le fluide sur une hauteur plus importante. L'adaptation du système décrit ci- dessus à un nombre plus important de phases est à la portée de l'homme du métier. On veillera toutefois à respecter l'imbrication des différents enroulements dans la hauteur du creuset ainsi que les associations en série opposition des bobinages constituant les différents enroulements. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'invention ait été décrite ci-dessus en relation avec le brassage du verre et d'un plasma gazeux, elle s'adapte sans difficulté au brassage d'autres fluides faiblement conducteurs tels que des électrolytes, ou au brassage de fluides conducteurs non corrosifs. De plus, le choix du nombre de spires par bobine, du nombre de bobines par enroulement et de la disposition des spires est à la portée de l'homme du métier à partir des indications données ci-dessus. En particulier, la section des spires dépendra bien entendu de l'intensité des courants, et la disposition dans la hauteur du creuset dépendra de la hauteur de ce dernier et du nombre de bobines. Par exemple, en se référant au mode de réalisation décrit ci-dessus en relation avec la figure 3, le niveau moyen du fluide sera choisi pour correspondre approximativement au milieu de la hauteur du premier bobinage 51 du premier enroulement 5. L'augmentation du nombre de bobines d'un même enroulement permet d'augmenter (par effet de cumul dû à l'augmentation de la hauteur d'interaction) la force de pompage, donc l'efficacité du brassage. REVENDICATIONS 1. Installation de traitement par induction apte à réaliser un brassage électromagnétique d'un fluide faiblement conducteur, comportant: une enceinte cylindrique (1) apte à recevoir le 5 fluide; un premier enroulement (5) comprenant deux premiers bobinages (51, 52) respectivement formés autour de deux premières zones distinctes de l'enceinte (1) et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du premier enroulement (5) étant aptes à être reliées aux bornes d'un premier condensateur (C) et aux bornes d'une source de tension alternative (3) ; et au moins un deuxième enroulement (6) comprenant deux deuxièmes bobinages (61, 62) respectivement formés autour de deux deuxièmes zones distinctes de l'enceinte (1) dont l'une est située entre les deux premières zones de l'enceinte, et reliés en série opposition de manière à être parcourus par des courants opposés, les bornes du deuxième enroulement (6) étant aptes à être reliées aux bornes d'un deuxième condensateur (C'). 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle le fluide faiblement conducteur présente une résistivité comprise entre 10-3 et 1 S2.m. 3. Installation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les valeurs des premier et deuxième condensateurs (C, C') sont fonction de la fréquence de la source de tension (3) et de l'épaisseur de peau souhaitée à l'intérieur de l'enceinte. 4. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes dans laquelle les inductances combinées des premier (5) et deuxième (6) enroulements sont choisies de manière à produire un échauffement prédéterminé d'un corps disposé dans l'enceinte, ledit échauffement étant apte à maintenir ledit corps sous forme d'un fluide. 5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle le fluide faiblement conducteur est un plasma gazeux. 6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle l'enceinte (1) est disposée verticalement et la source de tension (3) est commandée de telle manière que les enroulements (5, 6) génèrent un champ électromagnétique soumettant le plasma situé à proximité des parois de l'enceinte à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte un moyen (8) pour introduire une poudre (9) dans le plasma. 7. Installation selon la revendication 4, dans laquelle 10 le fluide faiblement conducteur est un verre liquide. 8. Installation selon la revendication 7, dans laquelle l'enceinte est disposée verticalement et la source de tension (3) est commandée de telle manière que les enroulements (5, 6) génèrent un champ électromagnétique soumettant le verre liquide situé à proximité des parois de l'enceinte (1) à une force agissant de bas en haut, et comportant au dessus du centre de l'enceinte (1) un moyen pour introduire une poudre (7) dans le verre liquide. 9. Installation selon l'une quelconque des revendi-20 cations précédentes, dans laquelle l'enceinte (1) est un creuset froid inductif. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle l'enceinte (1) est un creuset en matériau réfractaire.