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" Procédé et appareil pour la production d'un courant de gaz à température élevée ".
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La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la production de gaz à des températures élevées. Plus particulièrement, l'invention concerne la combustion des combustibles courants, par exemple des mé- langes combustible-air et la superposition à la flamme d'une décharge électrique importante pour parfaire l'élé- vation de température des produeits de la combustion.
Ce supplément d'énergie électrique de chauffage apporté à une flamme chaude élève facilement la température à un niveau de travail compris essentiellement entre la tempé- rature extrêmement élevée d'un arc électrique, d'une parrt, et la température habituelle d'une flamme air-combustible d'autre part, cette gamme de températures étant normalement coûteuse lorsqu'on utilise des procédés connus, par exemple la combustion de combustibles de prix élevé tel que l'hydro- gène ou l'acétylène ou l'enrichissement de l'air de combus- tion par l'oxygène ou lorsque cette gamme ne peut pas être obtenue sans l'utilisation d'un arc électrique.
En général, des combustibles peu coûteux sont utilisés conformément à la présente invention pour obtenir, dans la phase de combustion, des températures atteignant approximativement 2000 K ou plus, une décharge distribuée sous une tension relativement élevée et à courant' faible étant produite en utilisant l'énergie électrique comme second-étage pour atteindre la température élevée recher- chée. Il existe de nombreuses applications importantes nécessitant un chauffage ne pouvant être obtenu avec les températures plus faibles disponibles par la combustion des combustibles 'courants. Les processus métallurgiques tels
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que la réduction thermique de l'aluminium ne peuvent pas être obtenus avec des températures faibles.
Le découpage au chalumeau et la soudure à températures élevées, la fu- sion des métaux, des matières réfractaires et des matières présentes dans l'écorce terrestre sont très améliorées lorsqu'on utilise le procédé et l'appareil conformes à l'invention. La présente invention est aussi utile dans les processus chimiques nécessitant des températures élevées, par exemple dans la fabrication de l'acétylène.
Par "décharge distribuée*, il est fait référence à une décharge électrique distribuée plus ou moins unifor- mément dans la flamme produite par les gaz en combustion.
Il doit être considéré que la décharge distribuée confor- mément à la présente invention est distincte de celles obtenues dans des arcs à basse tension et à courants forts pour lesquels les décharges sont concentrées suivant des filets étroits entre deux électrodes. La décharge distri- buée obtenue conformément à la présente invention est une décharge sous tension relativement élevée et courant relativement faible et elle établit un courant de chauffage s'écoulant à travers tout le volume de la flamme.
Les avan- tages de ce type de décharge proviennent en premier lieu de la simplification des problèmes posés par les électrodes du fait de courants moins importants pour une même puissance utilisée ; et un second lieu du fait que pratiquement tout le volume du gaz qui circule traverse la décharge et se trouve par suite directement chauffe par la décharge.
Les caractéristiques et avantages de l'invention sont exposés dans la description suivante donnée seulement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins an- nexés sur lesquels : - la figure 1 est une coupe partielle longitudi- nale et en partie schématique d'un appareil conforme à l'invention;
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- la figure 2 est une coup transversale suivant la ligne II-II de la figure 1; - la figure 2A est une vue en élévation suivant un mode de réalisation différent d'appareil conforme à l'invention ; - la figure 3 est une courbe d'une caractéris- tique de fonctionnement du brûleur; - la figure 4 est une vue schématique montrant l'utilisation d'un appareil conforme à l'invention pour le forage de trous dans le sol;
- la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 1 représentant une variante et'appareil conforme à l'invention; - la figure 6 est une coupe partielle verticale suivant une autre variante d'appareil conforme à l'in- vention ; - la figure 7 est une coupe verticale d'un four pour la réduction d'oxyde métallique conforme à l'inven- tion ; - la figure 8 est une vue correspondant aux vues des figures 1 et 5 mais représentant une autre variante d'appareil conforme à l'invention.
Les figures 1 et 2 représentent un brûleur com- portant une enveloppe ou tube de brûleur 10 constituant une électrode extérieure à l'intérieur de laquelle est placée une électrode centrale concentrique 12. Les électrodes 10 et 12 sont espacées de façon à délimiter un canal annu- laire d'écoulement des gaz 14 pour le passage d'un mélange explosif constitué par exemple d'air et d'un hydrocarbure combustible courant.
Un fourreau extérieur 16 et un fourreau inté- rieur 1$ ,sont disposés à proximité des électrodes respecti- ves pour établir un passage annulaire pour gaz 20 entourant
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le canal principal 14 et un secona passage annulaire pour gaz 22. Les passages pour gaz 20 et 22 se terminent à la couronne du brûleur pour établir une paire de flammes pilo- tes annulaires 20a et 22a qui peuvent être utilisées pour stabiliser un pinceau de flamme de forme annulaire à sec- tion triangulaire lorsque la vitesse des gaz le nécessite.
" Le circuit d'alimentation électrique comprend un conducteur 26 pouvant être mis à la masse et qui est con- necté à l'électrode tubulaire du brûleur 10, et un conduc- teur 28 connecté à l'électrode centrale 12.
En fonctionnement, le mélange brûle dans le pin- ceau de flamme 24. Dans le pinceau de flamme turbulent visible, une onde de combustion instantanée mince, indiquée par les lignes ondulées 36, sépare le mélange non brûlé froid des gaz de combustion chauds. Dans cette onde de combustion mince, la température des gaz est accrue de plusieurs fois et la densité des gaz décrott de façon cor- respondante. En l'absence de l'application d'un champ élec- trique extérieur, une ionisation de concentration considé- rable apparaît dans l'onde de combustion 36 et une ionisa- tion d'un niveau inférieur persiste dans le flux de gaz chaud en aval du pinceau de la flamme.
Les électrodes 10 et 12 sont matériellement sépa- rées par un mélange froid relativement dense de gaz isolant électriquement à l'intérieur du tube brûleur et par une masse froide de gaz combustible de forme générale triangu- laire s'étendant entre le pourtour du tube brûleur et le corps du pinceau de flamme. Cependant, du point de vue élec- trique, les électrodes 10 et 12 sont connectées par les zones ionisées de l'onde de combustion et par la zone ionisée des gaz brûlés chauds.
Une tension alternative ou continue est appli- quée sur les électrodes 10 et 12 pour ajouter un chauffage par courant électrique à la flamme, et la figure 1 illustre
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un morue d'utilisation d'énergie en courant alternatif. Un circuit entrant 30 comprenant le secondaire d'un transfor- mateur élévateur 32 est connecté de façon à alimenter en courant alternatif les conducteurs 26 et 28 aboutissant aux électrodes.
Cette tension déplace les ions et les électrons présents dans la flamme et provoque le passage d'un courant relativement faible entre les électrodes, ce courant étant distribué dans tout le volume de la flamme. Au départ, la densité de courant est plus importante au voisinage immé- diat de l'onde de combustion parce qu'à cet endroit la densité d'ionisation est plus élevée et que la longueur de parcours de la décharge est plus courte. Lorsque la tension appliquée sur les électrodes est augmentée, l'ionisation par collisions s'établit et le courant ainsi que la puis- sance à l'entrée dans la flamme augmentent. La température des gaz augmente avec l'accroissement de la puissance à l'entrée.
Aux températures élevées des gaz, des quantités appréciables d'ionisation par action thermique peuvent se produire suivant le potentiel d'ionisation des constituants des gaz brûlés. Cette ionisation, due à la température élevée des gaz, augmente la densité de courant et abaisse la tension à laquelle la puissance désirée peut être four- nie à la flamme. Par suite, l'ionisation thermique du flux des gaz introduit une limite supérieure pour la température jusqu'à laquelle le flux des gaz peut être chauffé par une décharge haute tension distribuée. Cependant, la températu- re des gaz peut être élevée au delà de cette limite par une décharge distribuée sous basse tension et courant important, ainsi qu'il sera indiqué plus loin.
La température maximum des gaz limitant la plage de la décharge haute tension est déterminée par le poten- tiel d'ionisation des constituants des gaz de combustion*
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Pour un mélange de gaz d'une teneur en NO d'environ 1%, la température limite est d'environ 4000 K. Pour des mélan- ges de gaz constitués par CO, CO2 et H2O, la température limite est d'environ 6000 K.
Il est bien connu que dans une atmosphère gazeuse calme une décharge distribuée du type luminescent peut être maintenue uniquement pour des pressions faibles du gaz.
Lorsqu'on augmente la pression, la décharge distribuée devient instable et finalement le courant de décharge est concentré suivant un filet étroit et la décharge se trans- forme en arc basse tension. La raison de cette instabilité . et de la transformation qui en résulte provient de ce que tout accroissement faible accidentel de la densité de cou- rant dans une partie de la décharge augmente la température des gaz et la densité d'ionisation dans cette zone de la décharge et réduit la densité des gaz. Par suite, la con- ductivité dans cette zone est augmentée au-dessus de celle des zones environnantes, ce qui amène une concentration supplémentaire du courant. Pour les basses pressions des gaz, la diffusion égalise les différences de température des gaz et la densité d'ionisation de façon suffisamment' rapide pour qu'une décharge distribuée soit possible.
Pour des pressions plus élevées de gaz, la diffusion moléculaire n'est pas suffisamment importance pour éviter l'instabilité et la décharge se transforme en décharge d'arc basse ten- sion concentrée.
Ainsi qu'il a été indiqué plus haut, il est hau- tement désirable de maintenir une décharge haute tension distribuée dans la flamme. Ceci est possible, et la trans- formation en arc concentré peut être évitée, parce qu'il
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'" existe-piusieurs--facteurs-actifs dans-une- au maintien de la décharge distribuée. En premier lieu, la température de la flamme est déjà élevée du fait de la combustion, et par suite la densité des gaz est faible.
Par exemple, la densité d'ungaz sous une atmosphère et à
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2000 K correspond à la densité d'un gaz sous 0,15 atmosphè- re à la température ambiante. De même, une faible variation de la température déjà élevée des gaz n'amène qu'une faible variation de la densité du gaz. De plus, les gaz de la flamme sont déjà un peu ionisés du fait de la combustion.
Par suite, des fluctuations faibles de la densité de cou- rant ont une action de concentration bien inférieure sur la décharge dans une flamme que pour une décharge ayant lieu à l'air libre.
En second lieu, une turbulence importante a lieu dans une flamme turbulente, et cette turbulence importante augmentée du fait de la densité faible et de.la température élevée a une action de dispersion très énergique par rap- port à la diffusion moléculaire. Par suite de cette turbu- lence, les fluctuations accidentelles de la température et de la densité d'ionisation sont nivelées avant d'amener une concentration de la décharge.
Un troisième facteur est le renouvellement con- stant de la masse de gaz soumise à la décharge électrique.
De ce fait, toute masse de gaz est exposée à la décharge pendant une faible durée pendant laquelle des différences importantes de température et de densité ne peuvent pas s'établir.
La courbe 38 de la figure 3 représente le fonction nement stabilisépendant-lequel les arcs électriques ne . , peuvent pas s'établir. La courbe 38 est établie pour des tensions E en courant .continu en fonction',du cour ant continu en ampères. Au début de la courbe, le courant croît lentement avec l'accroissement de la tension. Dans cettée région, le courant est établi par l'ionisation de la flamme. Pour des tensions plus élevées, le courant croît plus rapidement .'-par suite de l'ionisation supplémentaire
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tension atteint un maximum puis décroît avec l'augmentation du courant. Dans cette région à caractéristique négative, la densité de l'ionisation thermique croît rapidement et la décharge peut éventuellement se transformer en arc basse tension.
A titre de mesure de sûreté pour éviter la forma- tion d'un arc et l'augmentation exagérée du courant dans le cas où la tension devient trop élevée, on peut prévoir 'des organes limiteurs en série constitués par uns résis- tance R et une bobine d'induction L dans le circuit d'ali- mentation 30 de la figure 1. Une chute de tension s'établit aux bornea de R et L lorsque le courant et sa vitesse de variation augmentent de sorte que la résistance et la bo- bine absorbent davantage de tension et abaissent la tension disponible sur les électrodes 10 et 12.
Ce dispositif limi- teur produit ainsi l'effet stabilisateur nécessaire pour la courbe du courant dans la région au delà du point 40 dans laquelle la courbe indique une caractéristique dé- croissante ou de résistance négative*
Les figures 1 et 2 représentent un brûleur dans lequel la flamme est complètement limitée à sa base par les électrodes. Il n'est cependant pas nécessaire que la flamme soit ainsi délimitée. La décharge électrique peut être distribuée par deux électrodes séparées du brûleur et dé- passant dans les flammes à partir de ses c8tés opposés.
La figure 2A représente une telle disposition qui comporte un tube brûleur 11 à travers lequel s'écoule le mélange combustible-air qui' brûle à l'embouchure du tube en formant une flamme 13 comportant un pinceau de flamme 13a. Deux électrodes 15 et 17 connectées respectivement aux conduc- teurs 26 et 28 s'étendent dans la flamme à partir de côtés opposés. Une décharge électrique distribuée est établie à travers la flamme et pratiquement tous les filets.des gaz de combustion traversent la décharge.
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16.000 x 2 = 32 KV 1.000 dans la flamme se traduisant par une libération substan- tielle de chaleur de 27.720 kcal/h.
Dans le cas d'une ionisation thermique apprécia- ble du gaz, le cacl est le suivant. Un gaz de combustion à la pression atmosphérique constitué par N2, CO2, CO et de la vapeur d'eau à la tension de 140 mm Hg, mais sans N0 ni vapeur métallique renferme à 4000*K environ 2 x 1011 ions et électrons par centimètre cube. Pour une tension de 500 volt/cm, la densité de courant est de 0,137 A/cm2, la formation de chaleur correspond à 68',5 W/cm3, et l'augmen- tation de température du flux de gaz de 685 C/cm mesurée dans le sens de l'écoulement du gaz, pour une vitesse du gaz de 1000 cm/s.
. En comparaison de l'exemple ci-dessus, la concen- tration ions-électrons, pour la même densité de courant , devient bien supérieure si seulement de faibles quantités de N0 ou de vapeurs métalliques sont présentes dans les pro- duits de combustion. Par exemple, à une température de 4000 K, Na sous une tension de vapeur de 0,01 mm.Hg provo*. que une concentration ions-électrons de 2,28 x 10 ions-et électrons par cm3. Pour un gradient de tension de 100V/cm, la densité de courant est de 5,1 A/cm2, la chaleur dégagée correspond à-510 W/cm3 et l'augmentation de température du flux de gaz est de 5.100 C/cm en supposant une vitesse d'écoulement des gaz de 1.000 cm/s.
La concentration ions-électrons-augmente très rapidement avec l'augmentation de la température des gaz.
Par suite, la caractéristique volt-ampère de la décharge peut être très sensible aux changements de la -température des gaz. Cette sensibilité peut être réduite par l'addition de très petites.quantités d'atomes d'un métal à potentiel d'ionisation faible au'mélange gazeux. Ces additifs permet- tent d'approcher l'ionisation complète à des températures ¯
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Les flammes formées par les appareils des figures 1, 2, et 2A sont établies à partir de mélanges explosifs pré-mélangés. L'invention trouve aussi son application dans le cas de flammes produites par diffusion. Dans ce cas, seul le gaz combustible alimente les tubes 10 et 11.
Dans ce qui suit, sont estimées, en premier lieu, la tension de décharge dans le cas où l'ionisation thermi- que est négligeable et en second lieu la tension de décharge; dans le cas d'ionisation thermique appréciable du gaz. L'in- tensité de champ électrique pour une décharge luminescente située dans une colonne d'air est de l'ordre de E/p. - 20 volt/cm/mm.Hg formule dans laquelle E est l'intensité de champ électrique en volt/cm et p. la pression de gaz réduite à 0 C. Dans des conditions de travail, avec une flamme à la température de 27300K et sous la pression atmosphérique, la pression de gaz corrigée est p. - 76 mm. Avec cette valeur de p. l'intensité de champ électrique dans la décharge est
E - p. - 76 x 20 - 1520 volt/cm.
Raisonnablement, dans des conditions de travail, une longueur de parcours de décharge reliant les électro- des le long de la flamme est de 10 cm et la tension de dé-' charge est dans ces conditions
E - 10 x 1520 - 15.200 volts à laquelle doit être ajoutée la chute de tension dans les électrodes, qui se monte à plusieurs centaines de volts pour obtenir la tension totale nécessaire.
Avec ces tensions élevées, des courants de déchar- ge luminescente modérée sont suffisants pour fournir des quantités importantes de puissance à la flamme. Par exemple, pour une tension de décharge de 16.000 volts, un courant de 2 ampères libère une puissance de
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de gaz relativement basses et fournit dans la gamme de températures intéressante une ionisation de fond presque constante. Par exemple: à 3000 K, Na à une tension de va- peur de 0,001 atteint un degré d'ionisation de 0,48 et four- nit une concentration ions-électrons de 1,5 x 1012/cm3.
A 4000 K, le degré d'ionisation est de 0,995 et la concen- tration ions-électrons est de 2,4 x 1012/cm3.
Une considération importante dans la mise en oeu- vre de l'invention est la production dans la flamme d'une décharge électrique distribuée, c'est-à-dire une décharge étalée plus ou moins uniformément dans tout le volume de la flamme. Toute la puissance électrique nécessaire peut être fournie à la flamme pour atteindre la température désirée.
Les principales limitations proviennent de considérations pratiques. Ainsi, si les températures sont élevées et que les potentiels d'ionisation des constituants des gaz sont faibles, il peut en résulter des courants importants. On limite l'importance de ces courants en utilisant des élëc- trodes appropriées.
Par suite des températures élevées établies dans les flammes conformément à l'invention et des excellentes caractéristiques de transmission de chaleur des produits de combustion des flammes du fait de la recombinaison des molécules dissociées aux températures plus faibles, les flammes peuvent rapidement fondre n'importe quelle matière présente dans le sol. Par suite, ces flammes conviennent bien pour le forage de puits profonds. La figure 4 représen- te schématiquement un appareil permettant l'application de l'invention pour un tel usage. Un ou plusieurs brûleurs, tels que celui représenté sur la figure 1, sont montés dans un tube de forage 44 dont un seul élément est repré- senté sur la figure 4 pour la simplicité du dessin.
Une hau- te tension--est établie entre l'électrode 12 et le tube 10 à travers les conducteurs 26 et 28 La flamme est stabili-
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sée par des flammes pilotes annulaires, non représentées sur la figure 4, semblables aux flammes pilotes 20 et 22 de la figure 1. Comme la flamme est stabilisée par les flammes pilotes annulaires, la vitesse d'écoulement des gaz peut être très élevée, pouvant atteindre ou dépasser 100 m/s.
La flamme à température élevée vient frapper à une vitesse élevée le fond du puits qui la dévie en formant une lame mince de gaz chauds qui balaie la surface des ro- ches devant être fondues. En raison de la vitesse élevée de l'écoulement et de la turbulence importante en résultant, de la distance relativement faible entre les filets de gaz chauds et la roche, et du degré important de dissociation des produits de la combustion, le taux de transmission de chaleur à la roche est très élevé et les pertes de chaleur par conduction dans la roche ne constituent qu'une faible fraction de la chaleur fournie.
La matière fondue est ba- layée du fond du trou de forage par le souffle à vitesse élevée et peut être brisée en petites gouttelettes et en- traînée à la surface par des courants d'air auxiliaires envoyés à travers des orifices 46 formés à la partie infé- rieure du tube de forage et débouchant vers le haut.
Cependant, dans le forage des roches, un débit élevé de gaz est important et une forme modifiée du brûleur tel que celui représenté sur la figure 5 est préférable,ce brûleur établissant une vitesse particulièrement élevée pour les gaz brûlés. Dans ce brûleur à-vitesse élevée des gaz, deux conducteurs 28 et 26 sont raccordés à une source de courant électrique de la façon décrite plus haut, et . ces conducteurs sont respectivement connectés à'une élec- trode centrale 12 1 située à l'intérieur du brûleur et à une électrode extérieure 10' constituant le tube-brûleur.
Dans une application particulière au forage de puits, le conducteur 12' relié à l'électrode centrale est, de préfé-
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rence disposé en conducteur à isolement coaxial indiqué par le trait interrompu 28b, et l'électrode extérieure 10' constitue l'électrode à la terre. Ce conducteur 28b est fixé à l'extrémité intérieure de l'électrode centrale 12' qui comporte un épanouissement à l'extrémité opposée pour constituer un support de flamme en forme de disque 48 en retrait radialement à l'intérieur de l'électrode 10' et en retrait axialement vers l'intérieur par rapport au bord 50 de cette électrode.
Une chemise de refroidissement 52, remplie de liquide, entoure le tube-brûleur à proximité de l'extrémité 50 du brûleur et des moyens appropriés sont prévus pour faire circuler un liquide de refroidissement à l'intérieur de la chemise lorsque le brûleur est en service.
Le disque porte-flamme 48 stabilise le cône 54 de la flamme qui est alimentée avec un mélange explosif air-combustible s'écoulant dans le sens indiqué par les flèches, vers la droite de la figure 5. La différence de potentiel existant entre les électrodes 10' et 12' provoque l'établissement d'une décharge distribuée dans le volume en cône limité par l'onde de combustion indiquée par la ligne ondulée 56.
Le diamètre intérieur du tube 10' est uniforme et par suite les produits de combustion chauds sont confi- nés dans la même section transversale que les gaz non brûlés. Le volume des gaz augmente considérablement du fait de la combustion et l'importance de leur expansion amène leur accélération et un écoulement à vitesse élevée. Par suite, l'alimentation en gaz non brûlés du brûleur à une vitesse d'écoulement initiale élevée se traduit par des vitesses très élevées des gaz brûlés qui atteignent au moins environ la vitesse du son.
Lorsqu'on utilisa un jet de gaz brûlés formé de cette façon à vitesse et température élevées, la vitesse de progression dans le forage est supérieure à celle obte- nue en utilisant la disposition de la figure 4.
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Ainsi qu'il a été indiqué, des courants importants peuvent être nécessaires pour élever la température de la flamme à la valeur voulue. Ceci est particulièrement vrai si les constituants du gaz formant la flamme sort tels qu'ils contiennent des atomes métalliques dans la flamme, parce que les potentiels d'ionisation des atomes de métal sont faibles, par exemple le potentiel d"ionisation de l'a- luminium est de 5,90 volts et celui du titane de 6,83 volts* Pour des températures dépassant 3000 K, la conducti- vite des gaz renfermant des vapeurs de tels métaux est éle- vée. Par exemple, à 3000"K, un gaz renfermant des vapeurs de titane sous une pression de 1 mm Hg a une concentration en ions-électrons de 2,56 x 1012 par cm3.
Pour un gradient de tension de 1 volt par cm, la densité du courant dans le gaz est de 0,12 A/cm2. A 3500 K la concentration en ions- électrons est de 1,4 x 1013 par cm3 et la densité de courant
0,38 A/cm2. A 4000 K, la concentration en ions-électrons devient 1 x 1015 par cm3 et la'densité de courant est de 3 0 A/cm2 .
De telles densités élevées d'ionisation nécessi- tent des courants importants pour fournir de grandes quan- tités d'énergie électrique dans n'importe quel wlume donné de gaz. Il peut être difficile, ou prohibitif au point ¯de/±' ¯ vue prix,-d'utiliser des électrodes pouvant supporter de pareils courants importants. Dans ce cas, il peut être avan- tageux de fournir, l'énergie électrique aux gaz à températu- re élevée par induction électro-magnétique. Un dispositif réalisant ce but est représenté sur la figure 6. Le disposi- tif représenté sur cette figure comporte un brûleur tel que celui de la figure 1 produisant une flamme et une dé- charge distribuée est produite à travers la flamme.
A dis- tance axialement de 1!avant du brûleur, estplacée une
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bbbiné ' d tindûcti.on tlectr3que 58 excitée à partir d'une Soi
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ce de courant électrique 4 haute fréquence, la fréquence étant par exemple de l'ordre de 10.000 périodes par seconde.
Ainsi qu'on le voit sur la figure 6, les produits de com- bustion de la flamme traversent la bobine 58. La bobine haute fréquence induit un courant important dans le courant de gaz très conducteur conformément aux principes connus du chauffage par induction.
Le procédé de chauffage par induction électro- magnétique pour élever la température de la flamme peut consister à appliquer directement cette induction à la flam- me sans créer de décharge électrique distribuée dans celle- ci de la façon décrite précédemment, en particulier si la densité d'ionisation des gaz a été accrue par addition de matière à potentiel d'ionisation faible. Cependant, il est particulièrement utile pour augmenter la température de flammes déjà élevée du fait de l'utilisation de décharges électriques distribuées car c'est pour de telles tempéra- tures que l'étude et la construction d'électrodes appro- priées deviennent difficiles.
L'invention convient particulièrement pour cer- tains processus métallurgiques nécessitant l'utilisation de flammes à température élevée, par exemple pour la réduc- tion de l'oxyde d'aluminium ou de titane afin d'obtenir du métal pur. Ces réductions peuvent être obtenues direc- tement à la flamme, parce que les flammes peuvent être portées aux températures voulues.
Le processus de réduction est effectué dans la flamme en combinant les gaz de combustion pour obtenir une atmosphère réductrice et en introduisant dans la falamme à température élevée l'oxyde métallique afin de le réduire sous la forme d'une poussière ou poudre fine. Les particu- les métalliques fondent et s'évaporent dans la flamme à température élevée. La réduction a lieu à la surface des
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particules ou dans la phase gazeuse après évaporation. Le métal réduit apparaît dans une phase vapeur après quoi il est condensé dans le courant du gaz, sous forme liquide.
La figure 7 représente un four permettant de réa- liser une telle réduction. Le four comprend une enveloppe métallique 60 doublée d'une matière réfractaire 62 et en- tourée d'un serpentin de refroidissement 64. Le four est divisé en une chambre de réduction 66, une chambre de con- densation 68 et un échappement des gaz 70, la chambre de réduction et l'échappement 70 formant des prolongements de la chambre de condensation 68 à la partie supérieure de laquelle ils sont situés de façon que les gaz s'écoulent de la chambre de réduction dans la chambre de condensation et qu'ils circulent dans celle-ci avant de traverser l'é- chappement,70. A l'extrémité de la chambre de réduction éloignée de la chambre de condensation est placé un brûleur analogue à celui représenté sur la figure 1.
Un mélange com- bustible est envoyé à travers le brûleur, ce mélange étant tel qu'il produise une flamme réductrice avec une teneur élevée en oxyde de carbone ou en hydrogène dans les produits de combustion. Une décharge électrique distribuée est éta- blie à travers la flamme de la façon décrite précédemment et la température'des gaz est élevée au niveau voulu.
L'oxyde métallique à réduire dans la flamme est amené dans celle-ci sous la forme d'une poudre fine dans le courant gazeux. Si du carbone est nécessaire pour le processus de réduction, celui-ci peut être aussi entraîné dans le cou- rant des gaz, ou bien il peut être entraîné dans un courant de gaz séparé entourant la flamme/
La flamme chaude fait fondre et évaporer l'oxyde métallique en poudre et l'oxyde est réduit à l'état de métal lorsqu'il-est dans la phase gazeuse. La vapeur de
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tion, pénètre ensuite dansla chambrede condensation dans laquelle la température des gaz est ramenée à une valeur telle que les vapeurs métalliques se condensent.
La chambre de condensation est maintenue à la température voulue pour obtenir cette condensation du métal par réglage du refroi- dissement de l'enveloppe 60 par le serpentin 64 et en choisissant un revêtement inférieur d'une épaisseur appro- priée pour que le serpentin de refroidissement soit effica- ce. Les gouttelettes de métal condensé se déposent du cou- rant gazeux et sont collectées dans la cuve à liquide du fond de la chambre de condensation. Le métal fondu est évacué du fond de la chambre de condensation à travers un trou de coulée 72.
Les gaz d'échappement quittent la chambre de condensation à travers une ouverture de sortie ou échappe- ment 70 et la chaleur qu'ils entraînent peut être récupérée pour être utilisée à différentes fins dans des appareils ou suivant des techniques connues. Les poussières fines de métal ou de minerai peuvent être récupérées du courant gazeux pour être recyclées.
Dans certaines applications de l'invention, il est désirable de disposer d'un courant de gaz à haute tem- pérature concentré dans une surface à section transversale relativement faible, les filets s'écoulant à des vitesses très élevées et même supersoniques. Par exemple, de tels filets de gaz chauds sont utiles pour le découpage de roches dans lequel la coupe est relativement étroite mais d'une - profondeur égale à plusieurs fois la largeur. Une concentra- tion de l'écoulement des gaz chauds se traduit par une cou- pe étroite et la grande vitesse des gaz chauds balaie et entraîne les particules de roche pendant la progression de la coupe. La figure 8 représente un appareil permettant de produire des filets concentrés de gaz à température éle- vée s'écoulant à des vitesses supersoniques.
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L'appareil représenté sur la figure 8 comprend un tube 58 pervant d'électrode extérieure et à travers le- quel s'écoule un mélange explosif air-combustible, de la gauche à la droite de la figure 8, suivant les flèches.
L'appareil comprend aussi un organe porte-flamme 60 qui se comporte aussi comme électrode. L'électrode 60 est disposée au centre du tube 58 et sa distance axialement en amont de l'extrémité du tube/traverselequel s'écoulent les gaz chauds est considérable. L'espace compris dans le tube 58 entre l'extrémité de l'électrode 60 et la tuyère d'échappement 70 du jet constitue une chambre de combus- tion dans laquelle pratiquement tout le mélange explosif -, air-combustible est brûlé. Les dimensions de cette chambrai varient d'après différents facteurs bien connus, tels que le débit des gaz, la pression sous laquelle ils s'écoulent, la nature du mélange et la pression sous laquelle a lieu la combustion.
En général, la distance entre l'électrode',
60 et la tuyère 70 est au moins le double du diamètre inté= rieur du tube 58.
Ltappareil de la figure 8 comprend aussi des moyens classiques pour l'alimentation en mélange explosif air-combustible du tube 58 sous une pression élevée. La pression réelle dans la chambre de combustion est déter- minée par la vitesse recherchée pour le courant de.gaz,, chaud à la sortie du brûleur. Le rapport entre la pression *dans la chambre de combustion et la vitesse d'échappement est bien connu.
Les conducteurs 62 et 64, raccordés à une source de courant électrique de la même façon que pour les modes, de réalisation décrits plus haut établissent une différen- ce de potentiel entre les électrodes 5$ et 60.
Une flamme est formée à l'extrémité de l'électro- de 60 qui établit un pinceau de flamme indiqué par la ligne
66 de la figure 8. La différence de potentiel entre les
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électrodes 58 et 60 provoque la formation d'une décharge distribuée dans le volume conique limité par l'onde de combustion indiquée par la ligne ondulée 68. Une tuyère de sortie du jet 70 est placée à l'extrémité du tube 58 pour l'écoulement des gaz. La tuyère 70 étrangle l'extrémité du tube 58 de façon que tous les produits de combustion du mélange air-combustible s'écoulent à travers le col 72 de la tuyère à des vitesses croissantes.
Une chemise remplie de liquide de refroidissement 74 entoure le tube 58 vers la tuyère 70, et des moyens appropriés sont prévus pour faire circuler un liquide de refroidissement à l'intérieur de la chemise lorsque le brûleur est en service.
Les détails du brûleur type représenté sur la figure 8 brûlant un mélange explosif de pétrole et d'huile sont indiqués ci-après. Le tube constituant l'électrode extérieure a un diamètre intérieur d'environ 38 mm. L'élec- trode centrale a un diamètre d'environ 9,5 mm et l'extrémité de cette électrode se trouve à environ 102 mm de l'entrée du sol de la tuyère. Le diamètre du col de la tuyère est d'environ 8,9 mm et le diamètre de sortie de la tuyère est d'environ 9,6 mm.
Un mélange explosif d'air et de pétrole est envoyé dans le tube sous une pression d'environ 4 kg/cm2 et le mélange est réglé de façon que l'air s'écoule sui- vant un débit de 57,5 kg/h et le pétrole suivant un débit de 3,95 kg/h.
La tension nécessaire pour obtenir la puissance électrique voulue varie de 1.000 à 2.000 volts selon l'im- portance de la pré-ionisation de la flamme. La pré-ionisa- tion de la flamme est obtenue par l'addition de sels au mélange explosif ainsi qu'il a été indiqué plus haut. Plus le degré de pré-ionisation est élevé, plus la tension néces-
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3aire est faible. Le courant traversant la flamme varie alors de 50 à 25 ampères-
Un tel brûleur, commandé ainsi qu'il vient d'être décrit, libère pendant la combustion 43.000 kcal/h. L'équi- valent en chaleur de 50 kW d'énergie électrique fournie est de 43.000 kcal/h. Le brûleur produit ainsi un total de 86.000 kcal/h.
La vitesse du jet de flamme est de 1450 m/s environ et sa température est d'environ 3.300*K.
Il ressort de ce qui précède que le brûleur repré- senté sur la figure 8 produit un courant concentré de gaz à des températures élevées s'écoulant à des vitesses super- soniques. Un tel jet de flamme à température élevée est utile pour le découpage ou le forage de matières extrême- ment dures ou de matières réfractaires ou pour le découpage des métaux par fusion.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour la production d'un courant de gaz à haute température, caractérisé en ce qu'on établit un courant fortement turbulent d'un mélange combustible, on forme une flamme par combustion chimique dans le cou- rant, on crée une décharge électrique importante distribuée sur la flamme et on fait passer pratiquement tout le cou- rant des gaz de combustion à travers la décharge pour aug- menter la température du courant.