L'invention concerne les dispositifs de chauffage électrique d'un milieu par résistance, dispositifs encore communément appelés thermoplongeurs, du type comprenant un élément chauffant allongé en graphite, sensiblement cylindrique et présentant deux parties terminales, entouré par une gaine en matériau réfrac- taire délimitant autour de 1 ' élément chauffant une chambre étanche de rétention d'un gaz propre à protéger le graphite de l'oxydation.

Elle trouve une application particulièrement importante bien que non exclusive, dans le domaine des dispositifs de chauffage électrique permettant d'atteindre, dans les fours où règne une atmosphère corrosive ou oxydante, des températures aussi élevées que celles que permet d'atteindre l'emploi de combus¬ tible fossile.

On connait déjà des dispositifs de chauffage électrique du type ci-dessus défini. En particulier, dans la demande de brevet FR-A-84 02 358, le demandeur décrit un dispositif comportant un élément chauffant en graphite protégé contre 1 ' oxydation par une atmosphère contenant du monoxyde de carbone formé a partir de l'élément chauffant lors de la première mise en oeuvre du dispositif et entouré par une gaine tubulaire en céramique réfractaire résistant à la corrosion. Cette solution permet de résoudre de nombreux problèmes.

Cependant, l'utilisation d'une gaine en céra- mique, dont la conductibilité thermique est faible, limite la puissance surfacique dissipable.

L'invention vise à fournir un dispositif de chauffage électrique répondant mieux que ceux anté¬ rieurement connus aux exigences de la pratique, notam- ment en ce qu'il permet d'obtenir une forme de gaine particulièrement propice à la diffusion de la chaleur

rayonnante venant de l'élément chauffant en graphite, ce qui était impossible avec les gaines céramique dont la forme était limitée au cylindre de révolution ou à l'ovale, en ce qu'il permet de supprimer les risques de court-circuit électrique entre l'élément chauffant en graphite et la gaine, risques provoqués par le mouvement et les vibrations du dispositif dans son milieu chauffé, en ce que il comporte des moyens de fixation et de centrage de l'élément chauffant en graphite à l'inté- rieur de sa gaine qui minimisent considérablement les difficultés de montage d'un tel dispositif et les problèmes rencontrés lors de sa manutention, et en ce qu'il permet d'atteindre une durée de vie du dispositif importante grâce à un système d' limentation en gaz inerte peu coûteux, simple à mettre en oeuvre et de maintenance aisée, protégeant l'élément en graphite contre 1'oxydation.

Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif de chauffage électrique du type ci-dessus défini, caractérisé : en ce que la gaine est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu ou recouverte d'une couche métallique externe de protection sensiblement constante, - en ce que ladite gaine présente des ondula¬ tions régulières agencées de telle sorte que tous les points de la surface interne de la gaine voient direc¬ tement l'élément chauffant,

- en ce que ledit élément chauffant est muni de deux blocs pleins constituant une première partie termi¬ nale dudit élément et respectivement raccordés aux bornes d'entrée et de sortie du courant électrique,

- et en ce que ledit élément chauffant en graphite comporte des moyens de fixation et de centrage dudit élément chauffant à l'intérieur de la gaine, lesdits moyens de fixation et de centrage comprenant une

couronne isolante en matériau réfractaire fixée sur la seconde partie terminale de l'élément chauffant en graphite et engagée dans une jupe cylindrique fixée sur la partie interne de la gaine, de sorte qu'un centrage de 1 'élément en graphite par rapport à la gaine au niveau de la seconde partie terminale dudit élément est réalisé, et une semelle composite de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant en graphite fixée de façon amovible sur la première partie terminale dudit élément et sur laquelle sont fixées des barres d'entrée et de sortie du courant d'alimentation électrique, ladite semelle étant constituée par deux portions métalliques formant respectivement les bornes d'entrée et de sortie électrique dudit élément en graphite, lesdites portions métalliques étant isolées électriquement l'une de l'autre et fixées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une plaque iso¬ lante en céramique.

Dans un mode de réalisation avantageux du dispositif appliqué à un élément chauffant utilisé en position verticale ce dernier comporte une platine de montage et de manutention disposée sous la seconde partie terminale de l'élément chauffant, reposant sur le fond de la gaine et comportant des moyens de connexion avec une tige de manutention. En venant connecter, par le dessus du dispositif et en passant au travers de l'élément en graphite, une tige de manutention sur les moyens de connexion de la platine, on peut soulever l'élément en graphite, la platine venant supporter par en dessous ledit élément en graphite et les parties et connexions électriques fixées au-dessus et qui forment un tout solidaire de l'élément.

Il est également avantageux de prévoir des moyens d'isolation électrique placés entre la seconde partie terminale de l'élément chauffant et la platine de montage et de manutention, ce qui permet, d'éviter tout

risque de court-circuit en empêchant 1'élément en graphite de venir en contact avec le fond de la gaine.

Dans des modes de réalisation avantageux, on aura également recours à l'une et/ou à l'autre des disposi- tions suivantes : le dispositif comporte un système d'alimen¬ tation de la chambre étanche en un gaz de protection contre l'oxydation de l'élément chauffant en graphite et d'extraction dudit gaz, connecté à la chambre étanche par au moins un passage d'entrée du gaz situé sur une des deux parties terminales de la gaine et par au-moins un passage de sortie du gaz situé sur l'autre partie terminale de la gaine, de sorte qu'une circulation du gaz de protection puisse s'effectuer dans ladite chambre étanche entre les deux parties terminales. le système d'alimentation et d'extraction en gaz de protection comporte une boite de répartition du gaz . injecté, fixée à une extrémité ou partie terminale de la gaine et, pour chaque ondulation de la chambre étanche, un passage d'alimentation à partir de ladite boîte de la goulotte correspondante définie par la partie de 1'ondulation dont la concavité est dirigée vers l'intérieur de la gaine. le gaz de protection est un gaz inerte tel que l'argon. le rapport entre la circonférence développée de la gaine et la circonférence du cercle passant par les sommets des ondulations les plus rapprochés de l'axe du dispositif est compris entre 2,5 et 4. - la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé chrome-aluminisa- tion et est d'une épaisseur comprise entre quelques microns et quelques centaines de microns.

- la couche externe de protection de la gaine est obtenue par un traitement dénommé "Sermetel J" .

De façon générale, ce dispositif est utilisable

dans tout procédé de chauffage de fluide, mais il est particulièrement intéressant dans des réacteurs ou fours à lit fluidisé.

Ses applications sont nombreuses et diversifiées. On citera parmi celles-ci, la décarbonatation, la calcination, la pyrolyse, l'élimination de solvants, la catalyse chimique, les réactions chimiques ayant lieu à moins de 900 ^* C, etc..

Dans un mode avantageux de réalisation, le dispositif ci-dessus décrit est réalisé et utilisé dans un réacteur de décarbonatation à lit fluidisé.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réali¬ sation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : la figure 1 est une vue en élévation d'un dispositif de chauffage partiellement en coupe selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant II-II de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe transversale suivant III-III de la figure 1, la figure 4 est une vue de dessus schématique de la figure 1. la figure 5 est une coupe partielle suivant V-V de la figure 1 , la figure 6 est une vue en coupe suivant VI-VI de la figure 1, - la figure 7 est une vue en coupe partielle suivant VII-VII de la figure 6, la figure 8 est une vue partielle de face de la semelle de fixation de la figure 7, la figure 9 et une vue partielle en coupe de l'autre partie terminale de l'élément chauffant et du dispositif de l'invention,

la figure 10 est une vue de dessous de la figure 1 , la figure 11 est une vue schématique partiel¬ lement en coupe du dispositif selon l'invention montrant une disposition pour la manutention du dispositif.

La figure 1 représente un dispositif de chauffage électrique selon l'invention. Il est constitué d'un élément chauffant allongé 1 en graphite, de forme géné¬ rale sensiblement cylindrique. De façon plus précise, il présente une forme hélicoïdale double dans la partie chauffante, et est muni de deux parties ou blocs pleins

2 séparés l'un de l'autre à une de ses extrémités pour pouvoir y raccorder les connexions électriques. Une partie pleine est réservée pour 1'entrée du courant et l'autre pour la sortie. La double hélice permet d'allon¬ ger le chemin électrique, donc d'augmenter la résis¬ tance. De plus, en jouant sur les divers paramètres de l'hélice (pas, longueur et épaisseur de la partie en hélice, diamètre moyen) on peut adapter la résistance aux besoins ou aux contraintes imposées, comme par exemple 1'encombrement ou la tension maximale admis¬ sible. Avec un élément selon l'invention, on peut atteindre des hauteurs de 1'élément chauffant en graphite de 1'ordre de deux mètres, ce qui fait une hauteur globale du dispositif de l'ordre de trois mètres.

L'élément en graphite 1 est entouré par une gaine

3 délimitant autour de 1'élément chauffant 1 une chambre étanche 4 de rétention d'un gaz inerte tel que 1'argon. La gaine est en tôle d'alliage métallique réfractaire résistant à la corrosion du milieu dans lequel elle est placée et peut être recouverte d'une couche externe de protection 5 (voir figure 2) d'épaisseur sensiblement constante, par exemple 10 μm. Elle présente des ondula- tions régulières comme cela apparaît plus clairement sur les figures 2 et 3. Ces ondulations sont disposées de

telle façon que tous les points de la surface interne 6 de la gaine "voient" directement l'élément chauffant 1 et que la surface d'échange 7 du dispositif avec le milieu soit importante. Le rapport entre la circonfé- rence développée de la gaine et la circonférence du cercle (figurée en trait mixte sur la figure 2) passant par le sommet des ondulations les plus rapprochées de l'axe du dispositif est compris entre 2,5 et 4. Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, il est de l'ordre de 3,5.

Les connexions électriques de 1'élément chauffant en graphite avec la source de courant sont au nombre de deux. Elles sont constituées chacune par une barre en acier 8, filetée à ces deux extrémités, et permettent de soutenir et de mettre en place l'élément en graphite 1 axialement et radialement et de laisser passer le cou¬ rant des connexions 9 externes au dispositif vers les parties pleines 2 de l'élément chauffant 1. Ces barres 8 jouent également un rôle dans l'isolation thermique de la platine 10 par rapport à l'élément chauffant 1.

La platine 10 est plus précisément représentée sur les figures 4 et 5. C'est une pièce composite à base de pièces isolantes en céramique et de différentes pièces métalliques, par exemple dans le même matériau que la gaine, permettant le serrage de la platine sur la gaine de façon à rendre la chambre 4 étanche. La platine 10 permet le supportage de l'élément chauffant, l'obtu¬ ration du dispositif et l'isolation électrique entre les bornes. Plus précisément, elle comporte une pièce métal¬ lique 11 munie de deux passages 11a pour les barres d'alimentation et de soutien 8. Des joints 11b entre la partie supérieure 3a de la gaine 3 et la pièce 11 permettent d'assurer 1'étancheité, sachant que des moyens de serrage 11c, comportant par exemple des ron¬ delles Belleville 11d mettent en compression la pièce 11

sur la gaine 3. La pièce 11 comporte par ailleurs un tube central 12 d'évacuation du gaz d'inertage servant à protéger 1'élément chauff nt en graphite contre 1'oxyda¬ tion. Une bride de serrage 13 munie de ses moyens 13a de serrage avec système de compensation différentiel du type rondelle Belleville 13b permet de réaliser la mise en compression des joints 16 avec les épaule ents 14 soudés sur les barres 8 et assurant 1'étancheité de ces barres 8 avec l'extérieur. Des pièces isolantes en céramique 15a, 15b, 15c, 15d, réalisent l'isolation électrique des barres avec le reste des parties métalliques de la platine. Chaque pièce 15d est constituée par deux demi-cylindres, de façon à permettre leur montage sur les barres 8. Des joints 16 d'etancheite sont également prévus. Ils tiennent à des températures relativement importantes et peuvent par exemple être constitués en matériau isolant du type connu sous le nom de Klingérite.

En refermant le dispositif de façon étanche, la platine 10 permet la rétention du gaz inerte dans la chambre de rétention 4. Grâce à 1'agencement tel que décrit de la platine 10, une bonne répartition des efforts de serrage est réalisée. La température au niveau de la platine peut être de l'ordre de 300 ^* C. Les joints peuvent également être constitués en graphite expansé, en un composé amiante, ou du type métallo-plastique propre à conserver ses propriétés d'etancheite juqu'à des températures de l'ordre de 900 ^* C. Sur les figures 6 à 9 apparaissent plus préci¬ sément les moyens de fixation et de centrage de 1'élément chauffant 1 à 1'intérieur de la gaine 3.

Les barres d'alimentation électrique 8 sont fixées par des moyens 20 (voir figure 7) de vissage sur une semelle composite 21 de fixation et d'alimentation électrique de l'élément chauffant en graphite. La

semelle 21 est elle-même fixée sur la première partie terminale 22 de l'élément en graphite 1 par des vis 23, vissées dans des trous taraudés dans les blocs pleins 2 de l'élément chauffant allongé 1. Ces blocs pleins restent relativement froids. La semelle de fixation et d'alimentation est constituée par deux portions métal¬ liques 24 formant respectivement les bornes d'entrée et de sortie électrique de l'élément graphite. Ces portions métalliques 24 sont isolées électriquement et fixées rigidement l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une plaque isolante, par exemple en céramique, 25. Les moyens de fixation sont constitués par des boulons 26 venant d'un côté en appui sur la pièce métallique (par l'intermédiaire de la tête par exemple) et de l'autre en appui sur le matériau isolant (par l'intermédiaire de l'écrou), de telle sorte qu'aucun contact électrique n'existe entre les deux bornes métalliques entrée-sortie (voir figure 6) .

La plaque isolante en céramique peut être en tout autre matériau isolant électriquement tenant aux tempé¬ ratures de fonctionnement. Les moyens de fixation sont bien évidemment arrêtés, par exemple par des lamelles pliées- 27, conformément aux règles de l'art pour éviter la perte de boulons ou de vis à l'intérieur du disposi- tif.

La figure 9 montre la partie inférieure des moyens de fixation et de centrage de 1'élément chauffant en graphite dans sa gaine 3. Une couronne isolante 30 en fibre céramique ou béton réfractaire constitué par exemple par des empilages de disques, est emmanchée à force ou fixée mécaniquement sur la seconde partie terminale 31 de l'élément chauffant. Cette couronne isolante s'engage avec un jeu suffisant 32, par exemple de 5 mm, dans une jupe cylindrique 33 fixée sur la partie interne de la gaine, à l'intérieur des sommets des ondulations les plus proches de l'axe central 35 de

1'élément chauffant. Un centrage de 1'élément en graphite par rapport à la gaine, en partie basse dudit élément, est donc réalisé.

Sur le fond 36 de la gaine repose une platine de montage 37 et de manutention comportant des moyens de connexion 38, par exemple constitués par un filetage pratiqué dans un tube 39 soudé à la platine 37. Des moyens d'isolation électrique 40 et 41 reposent sur la platine 37 et s'interposent donc entre la seconde partie terminale 31 de l'élément chauffant et la platine de montage de manutention 37.

Des moyens d'isolation électrique 40, 41 per¬ mettent essentiellement de supprimer les risques de contact entre 1'élément en graphite 1 et le fond de la gaine de dispositif, ce qui engendrerait des court- circuits.

La figure 9 montre par ailleurs la partie inférieure du système 50 d'alimentation de la chambre étanche 4 en gaz de protection contre 1'oxydation de l'élément chauffant en graphite, par exemple en gaz inerte tel que l'argon.

Ce système d'alimentation 50 comporte une boîte de répartition 51 solidaire du fond 36 de la gaine, par exemple par soudage et, pour chaque ondulation 52 de la chambre étanche, un passage 53 d'alimentation de la goulotte 54 correspondante (définie par la partie concave de 1 ^l ondulation dirigée vers 1'intérieur de la chambre étanche) à partir de la boîte 51, de sorte que le gaz de protection remplit entièrement la chambre étanche 4. La boite de répartition 51 est alimentée en gaz inerte par un conduit 55 solidaire de la gaine 3 et qui remonte jusqu'en partie haute du dispositif (voir figure 4). Il est connecté aux moyens d'alimentation 56 en gaz inerte (voir figure 1) par exemple par une tuyauterie amovible muni de raccord rapide étanche tenant à haute température. Les moyens d'alimentation 56

en gaz inerte comportent un dispositif 57 (transmetteur, pressostat... ) de mesure et de contrôle de la pression statique présente dans les canalisations et la chambre étanche 4. Une injection de gaz inerte supplémentaire est effectuée, par exemple de façon automatique, par un automate programmable 58 en cas de baisse de pression au-dessous d'une valeur nominale de fonctionnement choisie. Cette fonction peut aussi être remplie par un ano-détendeur basse pression situé à proximité du ther- moplongeur connecté à l'entrée 55 et par une soupape connectée à la sortie 12. L'automate contrôle avanta¬ geusement également la puissance électrique qui alimente l'élément chauffant via les bornes 9 et les barres 8 à partir d'une source 59 de puissance. Cette source peut, bien évidemment, alimenter plusieurs dispositifs selon l'invention. La gaine 3 comporte par ailleurs des moyens

70 de mesure de la température de l'élément chauffant. Ces moyens 70 sont constitués par des tubes de guidage

71 solidaires de la gaine et dans lesquels sont respectivement placés des thermocouples 72 qui sont connectés à des moyens de mesure de température 60 également reliés à l'automate.

L' automate est avantageusement muni d'une console ou d'un pupitre de commande 61 et peut être connecté à des moyens de calcul 62 et des moyens d'enre¬ gistrement des données 63 permettant un pilotage et une surveillance du fonctionnement de l'ensemble du dispo¬ sitif.

Sur les figures 1 , 4 et 9 on a représenté un seul tube de guidage pour thermocouple, mais plusieurs tubes peuvent être prévus. En général un seul tube de guidage permettant de descendre un thermocouple en milieu de partie chauffante de l'élément chauffant en graphite est suffisant. Sur la figure 9 enfin, on a représenté partiel¬ lement, sous la boite de distribution d'argon 51, un

tube de centrage fixé à la boite, qui permet la mise en place et le centrage du dispositif chauffant dans le four,' par exemple à lit fluidisé, où il est utilisé.

La figure 11 montre un système de montage et de manutention de l'élément chauffant schématisé. Par l'intermédiaire du tube d'évacuation 12 de l'argon, on vient introduire une tige 80, munie d'un anneau de préhension 81, qu'on descend jusqu'en partie basse du dispositif. Cette tige 80 comprend à son extrémité une partie filetée qui est vissée sur les moyens 38 de fixation de la platine 37, restant dans la gaine durant le fonctionnement. un écrou de serrage 82 permet de bloquer en partie haute la tige de montage 80. Par 1'intermédiaire d'un pont roulant, on peut ensuite manu- tentionner . le dispositif en le prenant par son anneau 81, la platine 37 venant lorsque l'on exerce une traction sur la tige 82, s'appliquer par l'intermédiaire des disques isolants 40, 41 sur la partie inférieure de la couronne 30 solidaire de l'élément en graphite. De cette sorte, l'élément en graphite ne risque pas de bouger à 1'intérieur de sa gaine et une bonne rigidité de l'ensemble est assurée.

Un dispositif de chauffage du type ci-dessus décrit peut avantageusement être utilisé dans un réac- teur à lit fluidisé pour un procédé de décarbonatation.

Dans ce cas, la gaine 3 peut être réalisée en métal réfractaire protégé par un dépôt obtenu par chromaluminisation ou par un revêtement connu sous le nom de Sermetel J. Le procédé dit de chromaluminisation est un traitement thermochimique par diffusion. Les pièces sont plongées dans un bain de cément composé par de l'ordre de 80% de chrome et 20% d'aluminium, dilué par de l'A O, dans une proportion aux alentours de 50/50. Le traitement Sermetel J. est effectué par la Société HEURCHR0ME (176, rue d'Estienne d'Orves - 92700 COLOMBES) . Un pigment aluminium plus silicium est déposé

à froid par projection au pistolet. Un étuvage pour fixation du pigment sur son support est ensuite effectué vers 360 ^* C. Un traitement de diffusion aux alentours de 1000 ^* C des pièces traitées termine le processus. Le fonctionnement du dispositif de chauffage décrit ci-dessus est le suivant.

Le dispositif est introduit à son emplacement dans le four à lit fluidisé, par l'intermédiaire du système de montage décrit ci-avant. On démonte ensuite le système de montage en enlevant 1'écrou de serrage 82 puis en dévissant la tige 80, la platine de montage et de manutention 37 restant dans la gaine durant le fonctionnement. On vient ensuite connecter l'entrée du gaz d'inertage, par exemple de l'argon, sur la tubulure d'alimentation 55 du gaz 12 et on chasse l'oxygène contenu dans la chambre étanche en totalité. En fin de préparation de l'atmosphère inerte de la chambre, on met en place le tuyau de sortie du gaz sur l'attente de sortie 12 et on s'arrange pour laisser une légère surpression dans la chambre, de façon à réaliser un confinement dynamique de l'intérieur de la gaine. L'ensemble du dispositif d'inertage est contrôlé par l'intermédiaire de capteurs de pression et de l'automate 58. Les connexions électriques sont effectuées sur les parties 9 des barres d'alimentation 8 puis la montée en puissance s'effectue, commandée et contrôlée par les moyens décrits ci-dessus et connus en soi. Une pression relativement constante est maintenue à 1'intérieur de la chambre étanche en contrôlant la pression interne du dispositif par l'automate.

Lors du fonctionnement, la pression dans la chambre est mesurée en permanence et du gaz inerte est introduit ou extrait de ladite chambre en fonction des chutes de pression ou des augmentations de pression au-dessus de valeurs prédéterminées.

Le gaz est introduit à une extrémité et est extrait à l'autre extrémité de la gaine du dispositif 1. Celui-ci va, pour des raisons liées à son exploitation, osciller en température de façon à maintenir le bain dans lequel il se trouve à une température constante. Il s'ensuit une circulation discontinue du gaz d'inertage permettant le renouvellement de ce dernier. En effet, lorsque le gaz se dilate du fait d'une augmentation de température et pour que la pression à l'intérieur de la gaine soit maintenue constante, une certaine quantité s'échappe via le circuit 56 comprenant une soupape. Par contre, lorsque la température redescend, le bain s'étant restabilisé à sa température nominale de fonctionnement, la chambre se retrouve en dépression par rapport à sa valeur de consigne, une quantité de gaz d'inertage est alors injectée automatiquement pour venir compenser la perte de volume due à la contraction des gaz. Ce fonctionnement permet un renouvellement du gaz d'inertage nécessaire tout en consommant une quantité négligeable.

L'invention ne se limite nullement aux modes de réalisation qui ont été décrits, elle en couvre toute les variantes et notamment :

- le cas où les ondulations régulières ne présentent pas la forme arrondie, plus particulièrement décrite, mais ont des côtés présentant des angles aigus,

- le cas où les ondulations sont séparées par des portions ne présentant aucune ondulation,

- le cas où les gaines de dispositif selon 1 'invention sont obtenues par pliage de tôle et refer¬ mées ensuite sur elles-mêmes par soudure.