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BrtilTur à plasma
La présente invention se rapporte à un brûleur à plasma destiné en particulier au réchauffage de l'air et comprenant des électrodes tubulaires, entre lesquelles un arc électrique brûle pendant le fonctionnement. Dans le brûleur, il est prévu des organes pour produire une ali- mentation tangentielle en gaz par rapport aux électrodes (alimentation tourbillonnaire en gaz) en vue d'une stabi- lisation de l'arc par le gaz, ainsi qu'un champ continu magnétique en substance axiale pour la rotation de l'arc sur un cercle autour de l'axe azimutal des électrodes.
On connait en soi des brûleurs à plasma comprenant une chambre à arc électrique où pénètre une électrode en
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forme de ,bêcher. à partir de laquelle l'arc électrique brûle intérieurement) pendant le fonotionnement et sous une alimentation tangentielle en gaz par rapport à la chambre à arc électrique, dans une électrode cylindrique creuse (électrode en cylindre) se racccordant à la chambre à arc électrique (voir revue IEEE Transactions on Nuolear Science, janvier 1964, page 41 à 46).
Dans la chambre à arc électrique, il se forme un cylindre d'écoulement et dans l'électrode en bêcher, un double écoulement avec une.composante axiale grâce auquel la paroi,du bêcher est parcourue vers l'extérieur et la zone centrale, dans la direction de la chambre à arc. On suppose que dans le brûleur à plasma, il est créé une colonne d'écoulement continue qui s'étend jusque dans l'électrode en cylindre et que le cylindre d'écoulement extérieur se comporte dans la chambre à arc électrique plus que comme un écoulement hélicoïdal libre. Grâce à ces conditions d'écoulement, l'arc électrique est stabilisé par le gaz ou étranglé.
A partir de l'écoule- ment extérieur en cylindre, le gaz réparti sur la longueur entière de l'arc électrique, s'incorpore en continu dans le noyau de ce dernier.
Dans le brûleur à plasma connu, il est possible de provoquer la rotation de l'arc életriq e par une bobine magnétique qui est disposée autour de la partie de l'élec- trode en bêcher saillant de la chambre à arc électrique,
Grâce à la rotation des pieds de force de l'arc électrique sur les électrodes, on obtient, au lieu d'une charge en substance en forme de point, un effort thermi- que des électrodes, réparti sur un cercle, par conséquent en substance linéaire. Dès lors, la durée de vie des électrodes est en réalité augmentée, mais dans de nom- breux cas, spécialement pour le chauffage de l'air, la
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durée de vie n'est pas encore suffisante.
Le problème posé par la présente invention consiste dès lors à réaliser un brûleur à plasma, dans lequel l'effert ther- mique des électrodes est réparti sur une plus grande sur- face.
La solution conforme à l'invention consiste en ce qu'en plus du champ contigu magnétique axial, 'des organes pour la production d'un champ alternatif magnétique en substance radial par rapport à l'axe sont prévus aupplé- mentairement pour le déplacement de l'arc dans le sens axial selon un mouvement de va-et-vient.
Conformément à une autre forme de réalisation de l'invention, il est encore prévu, pour la production du champ alternatif magnétique, deux bobines à courant alter- natif dont les axes sont les mêmes que ceux des électrodes et qui sont excitées mutuellement ainsi que momentanément d'une manière opposée l'une à l'autre, de façon que la configuration de champ magnétique alternatif' à pointe géo- métrique soit formée à la manière d'une pointe biconique (champ alternatif de Cusp) entre ces bobines.
Le champ alternatif magnétique est donc en principe une configuration de champ magnétique alternatif à pointe géométrique formée, à la manière d'une pointe biconique, entre deux dispositifs de bobines à courant alternatif dont les axes sont les mêmes que ceux des électrodes et qui sont excités mutuellement, ainsi que momentanément d'une manière opposée l'un à l'autre,
Le brûleur à plasma conforme à l'invention peut se composer de deux élecLrodes tubulaires coaxiales dont l'une entoure l'autre en substance entièrement.
Ce brûleur con- tient de préférence deux dispositifs de bobines à courant alternatif isoaxiques, parcourus par le courant d'une mani- ère opposée l'un à l'autre, et un dispositif de bobines à courant continu enroulé sur l'électrode tubulaire extérieure d'une manière isoaxique à celle-ci et monté entre les deux
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dispositifs de bobines à courant alternatif.
Le brûleur à plasma conforme à l'invention peut contenir également deux électrodes tubulaires isoaxiques, montées dans une chambre à arc électrique à une certaine distance axiale, Il est particulièrement favorable ici qu'une bobine à courant alternatif soit rattachée à cha- cune des électrodes et une bobine à courant continu, au moins à l'une des électrodes, Les bobines doivent être enroulées coaxialement l'une à l'autre et aux électrodes, Les bobines à courant alternatif doivent de préférence être enroulées ou présenter des p8les tels que leur champ alternatif magnétique se développe en substance radiale- ment entre les bobines, Les deux électrodes peuvent être disposées spatialement entre les bobines à courant alter- natif,
Il s'est révélé favorable de munir au moins l'une des électrodes d'un corps d'enveloppe conçu comme une bague cylindrique creuse, dont la surface frontale orientée vers l'autre électrode est conçue en substance à la manière d'un tors, Le corps d'enveloppe peut être parcouru par un réfrigérant pour le refroidissement de l'électrode et/ou enfermé la bobine à courant continu appartenant à l'électrode.
Dans une'partie du brûleur à plasma conforme à l'in- vention, l'une des électrodes est conçue comme une électrode en bêcher, à partir de laquelle l'arc électrique brûle intérieurement, sous une alimentation tangentielle en gaz par rapport à la chambre à arc électrique, dans.l'autre électro- de conçue comme une électrode cylindrique creuse et se raccordant à la chambre à arc électrique,
Il s'est en outre révélé favorable de mettre en action les deux bobines à courant alternatif de telle sorte que le champ magnétique produit par celles-ci soit aussi exactement que possible en opposition de phase.
Les champs magnétique
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doivent donc être antiparallèles à chaque moment, l'intérieur des bobines, et ayoir la même valeur, Dans un brûleur à plasma, où les pieds de force des arcs élec- triques se développant radialement, tournant en raison du champ continu magnétique axial (ou des champs continus), ne se déplacent pas en phases et/ou ne se déplacent pas dans la même direction que celle des électrodes, il est préférable de soumettre l'excitation de la bobine à courant alternatif à une autre condition.
Conformément à un autre mode d'exécution de l'invention, la fréquence du champ alternatif magnétique peut être déterminée selon une grandeur telle que le mouvement axial de l'arc soit plus rapide approximativement d'un ordre de grandeur que la vitesse du gaz au cours du chaffage, en supposant ici que le mouvement de l'arc peut encore suivre la fréquence du champ alternatif.
La présente invention est décrite en détail à l'aide d'exemples en réalisation représentés aux dessins schématiques annexés, dans lesquels; Les figures 1 et 2 sont respectivement une coupe longi- tudinale et transversale d'un brûleur à plasma équipé d'électrodes tubulaires coaxiales ; Les figures 3 et 4 montrent respectivement une coupe lon- gitudinale et transversale d'un brûleur à plasma équipé d'électrodes tubulaires déplacées axialement.
A la figure 1, les électrodes sont désignées par 1 et 2. L'électrode extérieure 2 entoure entièrement en pratique l'électrode intérieur 1. La chambrc de conbus- tion peut être fermée sur une face latérale par le, paroi électriquement isolante 3, L'alimentation en air s'effec- tue tangentiellement par l'ouverture 4. L'air est insufflé dans la chambre 5 entre les électrodes, de façon qu'il se déplace à la manière d'un hélicolde (de droite à gauche à la figure 1). Les deux bobines à courant alternatif 8 et
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9,ainsi que la bobine à courant continu 6, peuvent être montées circulairement et symétriquement à l'axe 7 autour de l'électrode extérieure 2,
Il est supposé qu'un arc électrique 10 est amorcé entre les électrodes 1 et 2 (voir figures 1 et 2).
Cet arc électrique forme donc un courant radial ir dans la chambre 5 (système de coordonéea cylindriques: r.#. z).
Le champ magnétique axial Bz (champ continu de la bobine 6) agit sur le courant ir et exerce une force de Lorentz K# sur les porteurs de charge du courant ir L'arc est ainsi mis en rotation autour de l'axe 7 du brûleur. Sur la base de la vitesse de déplacement différente sur l'anode et sur la cathode, l'arc est ainsi formé approximativement en une spirale avec la composante de courant azimutale i#, dont les pieds de force sur chacune des électrodes tracent relativement un cercle. Ceci ne peut conduire progressive- ment qu'à une usure des bandes métalliques correspondantes des électrodes.
Conformément-à l'invention, un champ magnétique al- ternatif radial Br est ajouté au champ continu axial Bz (voir figure 2), Le champ Br exerce sur le courant i une force de Lorentz Kz dirigé axialement et qui déplace axia- lement l'arc électrique comme un tout, Etant donné qu'un champ alternatif est appliqué conformément à l'invention, il en résulte par conséquent un arc électrique déplacé axialement selon un mouvement de va-et-vient avec la fré- quence du champ alternatif.
Un exemple de réalisation d'un brûleur à plasma comprenant une chambre à arc électrique 31 est représenté à la figure 3. Dans cette chambre, on a introduit une élec- trode en bécher 32, à partir de laquelle l'arc électrique 33 brûle intérieurement, au cours du fonctionnement et sous une alimentation tangentielle en gaz au point 34
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par rapport à la chambre à arc électrique, dans une électrode cylindrique creuse 35 se raccordant à cette chambre, L'arc électrique peut être mis en rotation par la bobine à champ oontinu magnétique 36 et une bobine à champ continu 37 mise en action éventuellement d'une manière simultanée. Les bobines 36 et 37 peuvent être incorporées dans les corps d'enveloppe des électrodes 35 ou 32.
L'arc électrique est mis en rotation d'une manière identique à celle de l'exemple de la figure 1 par l'action du champ continu axiale Bz de la bobine 36 (et/ou 37) sur la composante radiale ir.
La stabilisation et l'étranglement de l'arc élec- trique s'effectuent conformément à la figure 3, par le type particulier d'alimentation en gaz qui a été décrit ci-avant et qui fait l'objet d'une demande de brevet plus ancienne S 106 867 VIIIc/21g, PLA 66/1774. Il n'est pas nécessaire que l'extrémité droite 40 de l'électrode en bêcher 32 soit fermée. Sur l'électrode 32, il peut être monté une tige 41 qui sert au déplacement axial de cette électrode 32. La tige 41 est mobile dans le guidage étan- chéifié 42.
Les bobines à courant alternatif 38 et 39, prévues conformément à l'invention, sont fixées axialement, à la figure 3, à l'extérieur des dispositifs de bobines à cou- rant continu, sur l'enveloppe de la chambre à arc élec- trique 31. Par exemple, la bobine 38 est disposée à l'in- térieur de l'enveloppe 31 et la bobine 39, à l'extérieur de celle-ci.
La bobine 39 se trouve fréquemment à l'exté- rieur de l'enveloppe, étant donné qu'en raison du système d'alimentation en gaz 34, une très petite place subsiste à l'intérieur de l'enveloppe dans la zone de la bobine 36, Mais la bobine 39 peut être disposée également à l'intérieur de l'enveloppe 31,
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Pour le déplacement axial conforme à l'invention du plasma ou de l'arc 33. la composante radiale Br du champ magnétique alternatifdes bobinée 38 et 39 est de nouveau utilisée, A la figure 4, on. a représenté la fa- çon dont le champ magnétique Br agit sur le courant i qui est produit par la rotation de l'arc.
Grâce à l'action conjointe du courant continu i et du champ alternatif Bz, on produit de nouveau une force de Lorentz axiale Kz, c'est-à-dire un déplacement axial selon un mouvement de va-et-vient des pieds de force du plasma sur les électrodes et ainsi un effort thermique superficiel des électrodes.
Exemple 1 :
Un brûleur à plasma selon la figure 1 est équipé de tubes de cuivre 1 et 2 d'une longueur d'environ 30 cm et d'un diamètre de 5 ou 7 cm. Les bobines à courant alterna- tif 8 et 9 sont identiques. Semblablement à la bobine à courant continu 6, elles comprennent des spires refroidies à l'eau à partir de l'intérieur et constituées par des pro- filés creux en cuivre. Au total, les bobines à courant al- ternatif ont environ 12 spires et la bobine à courant continu 40 spires. Les bobines sont mises en action sous looo A et 10 V environ, La fréquenoe du courant alternatif est d'environ 1 kHz. Approximativement 100 mn3/h (mn3=m3nor- mal) sont amenés au cours du réchauffage de l'air (point 4 à la figure 1). La vitesse et la température (en K) sont approximativement 10 fois plus grandes à la sortie qu'à l'entrée du brûleur.
On atteint à la sortie des vitesses de gaz d'environ 200m/sec et des températures d'environ 3000 K, Exemple 2:
La chambre à arc électrique 31 d'un brûleur à plasma selon la figure 3 a une longueur d'environ 50 cm et un diamètre d'environ 25 cm. La paroi de la chambre se compose de bagues en matière isolante et de bagues creuses en cui-
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vre successives, refroidies à l'eau à partir de l'in- térieur. Les bobines à courant alternatif 38 et 39 sont à peu près identiques, ont nu total 10 à 18 spires et sont mises en action a I kHz, sous 1000 A et 10 V environ.
Elles se composent de la même matière que celle de l'exemple I,
Ceci est valable également pour les bobines à courant con- tinu 36 et 37, La bobine 36 présente toutefois approximati- vement 40 spires et a une longueur de 30 cm. La bobine 37 n'a que 24 spires et une longueur de 10 cm. Les deux bobinas sont sollicitées à environ 1000 A et 10 v. Sans un exemple d'essai, 50 gr d'air par seconde environ ont été amenés au brûleur conforme à la figure 3 (point 34). Similairement à l'exemple I, la vitesse de l'air et la température ( K) sont approximativement décuplées.
Le brûleur à plasma conforme à l'invention est avan- tageusement utilisable dans tous les cas où de grandes vi- tesses et hautes températures de gaz sont nécessaires pen- dant un temps plus ou moins long. A titre d'exemple, il peut être cité les tunnels aérodynamiques et les brûleurs chimi- ques. Ces derniers sont utilisés à la réalisation de réac- tions à hautes températures.
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