Electrothermie industrielle

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1 Electrothermie industrielle K. Van Reusel 1/102 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 2/102 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 3/102 1

2 4/102 5/102 6/102 2

3 7/102 8/102 9/102 3

4 10/102 11/102 12/102 4

5 13/102 14/102 15/102 5

6 16/102 17/102 18/102 6

7 19/102 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 20/102 21/102 7

8 22/102 23/102 24/102 8

9 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 25/102 Chauffage infrarouge 26/102 rayons cosmiques rayons γ rayons X longueur d'onde dans l'air SOLEIL visible o n d e s r a d i o univers 3 K micro-ondes chauffage HF 27/102 9

10 Principes de base Transmission de chaleur ou d énergie SANS intervention du milieu convection, conduction Q = σ. ε. F. S (T 4 émetteur -T4 objet ) Q = puissance transmissible F = facteur de forme par rayonnement (en W) (0 1) σ = 5, W/m².K 4 S = surface (en m²) ε = émissivité (0 1) T = température (en K) 28/102 Avantages Réglage aisé de la puissance Choix de la longueur d ondes Large plage de puissance 29/102 fréquence longueur d onde rayon cosmique rayon gamma rayon X rayon ionisant rayon thermique (chaleur) ultraviolet lumière visible infrarouge soleil = K micro-ondes ondes radio micro-ondes 30/102 10

11 Lampes infra-rouges 1. Infra-rouges à ondes courtes (IRC) : 0,76 2 µm 2. Infra-rouges à ondes moyennes (IRM) : 2 4 µm 3. Infra-rouges à ondes longues (IRL) : 4 10 µm 31/102 Lampes infra-rouges Emetteur IR halogène IRUC Rayonnement Convection (%) (%) 95 5 Tube à quartz IRC Lampe avec réflecteur IRC Tube à quartz IRM Panneau rayonnant IRM Emetteur métallique IRM Plaques rayonnantes pyrex Plaques rayonnantes céramique /102 Profondeur de pénétration relativement petite Chauffage IR = technique pour traitements de surface maximale par rayonnement à ondes courtes 33/102 11

12 Applications métal : cuisson de peintures (peinture liquide, poudre) textile : séchage de fibres, fixation des couleurs papier : séchage, production de papier peint alimentation : stérilisation, cuisson de biscuits, rôtissage de viandes 34/102 Applications 1. Procédés industriels cuir, plastique, industrie du verre,... 35/102 Pratique 36/102 12

13 Pratique 37/102 Pratique 38/102 Pratique 39/102 13

15 Pratique 43/102 Pratique 44/102 Avantages et inconvénients Investissement : Installations très compactes (surface au sol limitée) Emetteurs IR utilisés comme boosting (augmentation de la vitesse de production) Pas d investissements pour l amenée de combustible, tanks, l évacuation des gaz de combustion... La construction des four IR est généralement moins lourde que celle des fours à air chaud (moins coûteux) 45/102 15

16 Avantages et inconvénients Réglage : électronique de puissance : permet un réglage flexible, rapide et précis Problème des harmoniques (perturbations) Adaptation parfois difficile de la puissance à la demande de chaleur (T voulue de la pièce à chauffer) 46/102 Avantages et inconvénients Consommation énergétique : Rendement thermique des émetteurs relativement élevé Faibles pertes de convection Charge purement résistive : très bon facteur de puissance Faible inertie thermique : gestion des pointes 47/102 Avantages et inconvénients Capacité de production : Densité de puissance élevée : vitesse de production élevée Brèves interruptions pas vraiment dérangeantes (inertie) Capacités de production plus élevées : réduction de la superficie de l entrepôt ou du magasin 48/102 16

17 Avantages et inconvénients Entretien/durée de vie : Pas de parties mobiles, entretien limité La durée de vie dépend des conditions de travail et du type d émetteur (quartz et céramique = fragile) Emetteurs et réflecteurs dans un environnement polluant : nettoyage régulier indispensable 49/102 Avantages et inconvénients Sécurité/Hygiène : Les lampes IRC peuvent être éteintes en cas d arrêt du transporteur ou en cas de problème Les lampes IROM peuvent également être éteintes moyennant des mesures supplémentaires Aucune nuisance sonore Pas ou peu de déplacement d air et de poussière Pas de gaz de combustion à évacuer 50/102 Avantages et inconvénients Qualité : Pas ou peu de déplacement d air ou de gaz de combustion à évacuer : pas de pollution de la pièce à traiter Possibilité de traitement sous vide Reparition relativement homogène de la chaleur 51/102 17

18 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 52/102 Techniques Electromagnétiques 53/102 rayons cosmiques rayons γ rayons X longueur d'onde dans l'air SOLEIL visible o n d e s r a d i o univers 3 K micro-ondes chauffage HF 54/102 18

19 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 55/102 Chauffage par induction 56/102 rayons cosmiques rayons γ rayons X longueur d'onde dans l'air SOLEIL visible o n d e s r a d i o univers 3 K micro-ondes chauffage HF 57/102 19

20 Principe 58/102 Principe 59/102 Principe Le courant diminue à mesure que l on s approche du centre Profondeur de pénétration : inversément proportionnelle à f δ = ρ π. f. μ. μ o r 60/102 20

21 Avantages Haut rendement : chaleur développée dans la charge Chauffage très rapide : puissance volumique élevée : jusqu à 10³ W/cm²; Réglage très précis de la puissance; Très faibles pertes thermiques; Automatisation aisée du processus de chauffage; Installations compactes; Homogénéité du métal fondu; Pas d encrassement dû à des éléments indésirables du combustible 61/102 Limites Convient aux pièces de forme simple coût élevé : uniquement pour la production en série 62/ Fusion des métaux Applications a) Four à creuset à induction 63/102 21

22 Applications 64/102 Applications 1. Fusion de métaux a) Four à creuset à induction condition : diamètre > 3,5 δ rendement : 70% bobines résistant à la déformation forces de bain effets de brassage 65/102 Applications 1. Fusion de métaux a) Four à creuset à induction jusqu à 1200 kw/tonne le couplage est important fonte : 500 à 600 kwh/tonne aluminium : 500 kwh/tonne 66/102 22

23 Applications b) Four-tunnel à induction isolation réservoir de métal liquide masse réfractaire noyau magnétique bobine primaire canal 67/102 Applications 1. Fusion des métaux b) Four-tunnel à induction Effet de brassage moins important Démarrage Effet de striction limitation de puissance Grande capacité pour volume restreint Noyau magnétique bon cos j 68/102 Applications Jet flow 69/102 23

25 Pratique 73/102 Pratique 74/102 75/102 25

26 Applications du futur: simulations numériques 76/102 Applications du futur 77/102 Applications du futur Double fréquence: MF = 5 khz HF = 150 khz 78/102 26

27 Applications du futur: Thixoformage Solidus < T < Liquidus: phase solide + phase liquide Brassage pâte: particules solides incluses dans une matrice liquide 79/102 Applications du futur: Thixoformage 80/102 Applications du futur: Thixoformage Viscosité alliage thixotrope > viscosité alliage classique T < T de fusion économie d énergie Structure de solidification est uniformément fine 81/102 27

28 χ m = χ nm F ~ B² F 10T = F 0.01T F nm, 10T = F m, 0.01T 82/102 83/102 Applications du futur 84/102 28

29 Casestudy induction fusion d Aluminium 3 GJ gaz 1000 kg Al Four à gaz 982 kg d Al fondu 18 kg Al pertes au feu 85/102 Casestudy induction fusion d Aluminium 1.8 GJ électricité 1000 kg Al Four induction 994 kg d Al fondu 6 kg Al pertes au feu 86/102 Casestudy induction fusion d Aluminium gaz induction Consommation de gaz [GJ] 3 - Consommation électricité [GJ] Pertes au feu [kg] 18 6 Consommation énergie primaire/ tonne Al fondu [GJ] Émission CO 2 [kg] = = /102 29

30 I. Chauffage par résistances 1. Des fours à résistances 2. Chauffage par conduction 3. Chauffage par rayonnement infrarouge II. Techniques électromagnétiques 1. Chauffage par induction 2. Chauffage par hystérésis diéléctrique 88/102 Chauffage par Haute Fréquence et par Micro-ondes 89/102 rayons cosmiques rayons γ rayons X longueur d'onde dans l'air SOLEIL visible o n d e s r a d i o univers 3 K micro-ondes chauffage HF 90/102 30

31 Principe 91/102 Principe Fréquences utilisées : Haute fréquence : Micro-ondes : 13,56 ou 27,12 MHz 915 ou 2450 MHz Puissance : P = fonction de f, E², facteur de perte [W/m³] 92/102 Chauffage par HF Générateur Adaptateur Applicateur 93/102 31

32 Chauffage par HF Zone de travail : différentes constructions 94/102 Chauffage par HF Caractéristiques : rendement : 60 % puissance : 100 kw (max. 700 kw) 95/102 Chauffage par micro-ondes charge d'eau puissance réfléchie puissance incidente puissance incidente 96/102 32

33 Chauffage par micro-ondes Zone de travail : Cavité Guide d ondes Agitateur métallique Magnétron Produit Parois métalliques Produit Cavité multimode Plate-forme tournante 97/102 Chauffage par micro-ondes Caractéristiques : 915 MHz 2450 MHz Puissance 60 kw 6 kw Rendement > 60 % 60 % Applicateur : 60 % de l investissement 98/102 Avantages et limites Micro-ondes : fréquence plus élevée tension plus basse moins de risque de claquage convient mieux aux matériaux présentant un facteur de perte peu élevé 99/102 33

34 Avantages et limites Investissement : HF : 2500 /kw μo : > 5000 /kw 100/102 Applications Haute fréquence : soudage de plastique, vulcanisation de caoutchouc séchage de textile, bois, papier, cuir, céramique 101/102 Applications Micro-ondes : Caoutchouc: vulcanisation, dévulcanisation élimination de bactéries, industrie alimentaire (cuisson, blanchiment, ) 102/102 34