chauffage direct par conduction, halima fergani

Electrothermie dans l’industrie

ECOLE NATIONALE SUPERIEURE

D’ELECTRICITE ET DE MECANIQUE

Département Génie Electrique

Elaboré par : Halima FERGANI (GSE ENSEM)

Encadré par : Mr. SAAD

Année universitaire 2014/2015

Chauffage direct par conduction

1 Génie des Systèmes électriques : 2014/2015

Table des matières

I. Introduction : ..............................................................................................................................2

II. Chauffage directe par conduction :..............................................................................................3

1. Principe : .................................................................................................................................3

2. Applications : ..........................................................................................................................3

3. Développement théorique : ....................................................................................................3

1.1. Puissance dissipée dans une résistance. ...........................................................................3

1.2. Variation de la résistance avec la température.................................................................4

1.3. Evaluation de la température d'échauffement d'une pièce ..............................................5

III. Exemples du chauffage direct par conduction :........................................................................8

2.1. Four de fusion de verre : ..................................................................................................8

2.2. Soudage par résistance : ..................................................................................................9

IV. Les nouvelles technologies : .................................................................................................. 10

1. Chauffage ohmique d’un aliment : ......................................................................................... 10

2. Le chauffage ohmique des liquides : ...................................................................................... 11

V. Conclusion ................................................................................................................................ 12

VI. Bibliographie : ....................................................................................................................... 12

http://ensem.ac.ma/index.php



I. Introduction :

L'électrothermie consiste à utiliser l’énergie électrique pour produire de la chaleur. Les

différentes techniques utilisant l'électricité pour produire de la chaleur :

1. L'effet Joule

Conduction

Induction

Arc électrique

2. Rayonnement

3. Techniques liées au frottement

Le chauffage de la pièce peut se produire par conduction directe ou indirecte.

Figure 1 : chauffage par conduction directe

Des caractéristiques résultent de l'utilisation de l'électricité comme source d'énergie :

facilité de mesure, contrôle, régulation,

localisation de l'effet thermique,

rendement de conversion de l'énergie élevé,

capacité d'atteindre des températures élevées,

densité de puissance maîtrisable,

automatisation et reproductibilité.

Densité de puissance [W/m ²] pour un chauffage par résistance (induction directe) allant de

10² à 105.

Figure 2 : chauffage par conduction indirecte




II. Chauffage directe par conduction :

1. Principe :

Le chauffage direct par résistance met en œuvre le passage d’un courant continu ou alternatif

directement à travers le produit à chauffer. Vu que la pièce à chauffer doit être conductrice

d’électricité, on donne souvent au chauffage direct par résistance le nom de « chauffage par

conduction »

Dans ce type de chauffage, on doit employer des électrodes de type à pince ou circulaires qui

assurent le contact physique avec le produit à chauffer. Voir le schéma ci-dessus. Dans le cas

des produits alimentaires, la sauce ou le jus constitue la composante qui conduit le courant

électrique, ce qui fait que le procédé est parfois appelé « chauffage ohmique ». La résistance

(R) qu’oppose le produit au passage du courant (I) qui le traverse engendre l’énergie

thermique I²R. Les courants à basse fréquence (60 Hz) chauffent la pièce toute entière, alors

que les courants à haute fréquence (400 kHz) chauffent plutôt la surface de la pièce.

Ainsi, Le chauffage par conduction électrique résulte de l'application par contact d'une

différence de potentiel au matériau à chauffer. Le passage du courant génère, par effet Joule,

un échauffement du matériau. Le chauffage par conduction directe est efficace et rapide mais

nécessite de très bons contacts entre la pièce et les électrodes d'amenée de courant.

2. Applications :

Les applications sont alors très nombreuses :

Assemblage de métaux : soudage par points, continu et par étincelage.

Chauffage de l’eau et production de vapeur.

Chauffage des métaux ferreux avant formage ou façonnage.

Cuisson et stérilisation des aliments.

Cure accélérée du béton.

Fusion des métaux.

Fusion du verre.

Production d’électrodes en graphite.

Réchauffage de métaux.

Traitement thermique des métaux.

3. Développement théorique :

1.1. Puissance dissipée dans une résistance.

La puissance thermique dissipée dans une portion de circuit de résistance R et parcourue par

un courant d'intensité I (valeur constante si le courant est continu, valeur efficace s'il est

alternatif) a pour expression :




𝑷 = 𝑹𝑰𝟐 = 𝑼𝑰 =𝑼²

𝑹 Avec 𝑹 =

𝐥

𝐒

P : puissance [W] I : intensité [A] U : tension [V]

R : résistance [Ω] : résistivité [Ω.m] l : longueur [m]

S : section [m²]

Dans cette équation la résistance est fonction de la température et de la fréquence.

1.2. Variation de la résistance avec la température

Lorsque la température d'un conducteur augmente, l'agitation des atomes s'accentue. Le

nombre de collisions entre les électrons et les atomes se multiplient limitant le déplacement

des électrons. La résistance d'un corps varie avec la température suivant la nature du corps,

sauf pour certains alliages qui sont réalisés pour avoir une résistance pratiquement constante

dans la plage de température d'utilisation.

R = R0 (1 + a T)

R : résistance à la température T [Ω]

R0 : résistance à la température T0 [Ω]

a : coefficient de température [°C-1]

T : différence de température (T-T0) [°C]

Résistivité de quelques corps :




1.3. Evaluation de la température d'échauffement d'une pièce

Si l'on estime qu'il n'y a pas de pertes :

P = m.cp 𝑑𝑇

𝑑𝑡

Avec cp : capacité thermique massique moyenne

Soit : T = T0 + 𝑃

𝑚.𝑐𝑝𝑡

La température croît linéairement avec le temps de chauffage.

Si l'on prend en compte les pertes (conduction, convection), on peut montrer que

celles-ci peuvent se mettre sous la forme : Φ = h S (T – T0) c'est à dire qu'elles sont

proportionnelles à la différence de température avec le milieu extérieur et à la surface

d'échange. L'équation différentielle devient :

P - Φ= P – hS(T - T0) = m.cp 𝑑𝑇

𝑑𝑡

L'équation différentielle s'écrit donc :

Résolution de l'équation différentielle sans second membre :

Résolution de l'équation différentielle avec second membre :




L'équation différentielle avec second membre devient :

Calcule de la constante T1 : si t=0 on a T=T0, donc T1= - 𝑃

𝐻𝑆

La température s'élève vers la température d'équilibre ( 𝑃

𝐻𝑆+ T0)

a. Avantages

Vitesse rapide de chauffage.

Le chauffage se produit aux emplacements voulus.

Rendement élevé : seule la pièce à chauffer est traitée.

Aucun produit de combustion n’est engendré.




Réduction de l’espace nécessaire aux équipements.

Coûts d’investissement modérés.

L’étude du rendement a donné :

La densité de puissance peut aller jusqu’à 100 kW et atteindre 105 kW/m2

Conversion d’énergie électrique : > 95 %.

Rendement global de procédé : en principe de 75 % à 95 %.

Exemple de comparaison entre l’utilisation de la conduction directe et les fossiles.

b. Limite :

Les surfaces de contact doivent être propres et non oxydées de façon à assurer une bonne

connexion électrique.




III. Exemples du chauffage direct par conduction :

2.1. Four de fusion de verre :

Le verre le plus couramment utilisé, est le verre sodocalcique, c'est-à-dire un silicate de

soude, potassium, calcium alumine et de magnésie.

La fusion électrique du verre est basée sur la conduction de celui-ci à partir de 1000 °C (le

démarrage du four peut se faire avec un mélange de graphite, qui est un matériau conducteur).

Quand le verre est suffisamment chaud pour être conducteur, le courant est apporté dans la

masse de verre fondu au moyen d'électrodes plongeant dans le verre placées dans les parois

ou dans la sole du four.

Le principe de chauffage de ces fours est très différent de celui des fours à flammes, car

l’énergie thermique y est apportée dans la masse du verre en fusion, au lieu d’être transmise à

la surface du bain de verre dans les fours à flammes.

La puissance de ces fours peut atteindre plusieurs MW. Bien que le rendement des fours

électriques soit élevé, le coût de l'énergie électrique a restreint leur développement.

Ils présentent néanmoins les avantages suivants :

bon rendement thermique (consommation de 0,9 kWh/kg pour un four électrique,

comparé à 1,30 kWh/kg pour un four au fuel). un faible encombrement.

la suppression totale des rejets de gaz de combustion et de poussières.




2.2. Soudage par résistance :

a. Définition :

La soudure par résistance est un moyen d'assemblage permanent destiné à créer une

continuité de la nature des métaux assemblés.

Le soudage par résistance autorise l'assemblage permanent par fusion des bords des pièces à

réunir et évite le recours au métal d'apport et aux pièces et produits d'union comme les rivets,

les agrafes, la boulonnerie.

b. Le principe de la soudure par résistance

L'appellation de soudage s'applique dès lors que deux pièces sont réunies de façon à ce que la

continuité de la matière entre les deux éléments soit telle qu'au niveau atomique ces deux

pièces n'en forment qu'une seule.

Pour cela, la soudure par résistance requiert une dilution du métal commun aux deux pièces à

souder. Le soudage par résistance est un procédé qui n'utilise pas de métal d'apport, mais met

en œuvre les effets conjugués d'une pression mécanique et de l'intensité d'un courant

électrique traversant l'assemblage.

C'est pourquoi, par rapport au soudage classique, le soudage par résistance nécessite d'abord

la mise sous pression élevée des pièces à réunir entre elles avant de les faire parcourir par un

courant électrique de forte intensité. L'échauffement dû au courant électrique provoque la

fusion au point de contact commun de ces pièces.




Cette fusion de la matière mise sous pression nécessite une importante intensité de courant

électrique (plusieurs milliers à plusieurs dizaines de milliers d'Ampère) selon l'élévation plus

ou moins importante de la température selon les matériaux à souder.

La soudure par résistance rend donc obligatoire :

un appareil de soudage par résistance pour le soudage par points ou par bossage

sous pression,

une importante alimentation en énergie électrique.

IV. Les nouvelles technologies :

1. Chauffage ohmique d’un aliment :

Le chauffage ohmique d’un aliment est obtenu par passage d’un courant électrique alternatif,

directement dans le produit alimentaire avec teneur élevée en particules dans le mélange (pour

qu’il soit conducteur),

La conductivité électrique, facteur essentiel de ce traitement, dépend de la composition de

l’aliment. Beaucoup d’aliments contiennent des sels et des acides qui jouent le rôle

d’électrolytes.

C’est la résistance de passage au courant dans l’aliment qui transforme l’énergie électrique en

chaleur, par effet Joule.




2. Le chauffage ohmique des liquides :

Le chauffage ohmique, ou chauffage par conduction électrique directe, consiste à placer

un produit entre deux électrodes alimentées par une source de tension alternative (U). Un

courant (1) s'établit alors dans le circuit en fonction de la conductivité électrique du

fluide (σ), inverse de sa résistivité, et de la géométrie des électrodes (K). La puissance

électrique (P) mise en œuvre correspond à la puissance thermique dissipée par effet Joule.

Elle est transmise directement au fluide sans intermédiaire (fig 1). P = U². σ. K

Le chauffage ohmique permet de chauffer autrement qu'au travers d'une surface

d'échange classique. Cela se voit aisément dans la formule précédente qui ne fait appel

ni aux températures de parois, ni au régime d'écoulement, ni à la conductivité thermique

du produit,...




V. Conclusion

Comme titre de conclusion, il est très important de comprendre le principe du chauffage direct

par conduction, il ne faut pas le confondre avec celui indirect, et pour récapituler ce que j’ai

déjà cité auparavant Le chauffage direct par résistance met en œuvre le passage d’un courant

continu ou alternatif directement à travers le produit à chauffer. Vu que la pièce à chauffer

doit être conductrice d’électricité.

VI. Bibliographie :

Guide d’amélioration du rendement énergétique des ÉLECTROTECHNOLOGIES À

l’intention des petites et moyennes industries

Le Projet NovelQ : Chauffage Ohmique d’Aliments Pompables.

Nouveaux traitements thermiques en industrie agro-alimentaire.

Le chauffage ohmique des liquides par C.AUSSUDRE, EDF DER et F. GUILLET,

Centre Technique de Papier.

Innovation in Food Preservation Wagralim le 20 octobre 2011 Gilles DREGE CTCPA

(Amiens, FRANCE)

Les verres, un conditionnement des déchets pour la longue durée.

COURS D'ELECTROTHERMIE par Olivier PERROT.

Sélection « Techniques de l’ingénieur » : Chaudières et fours industriels.

Les fours verriers industriels, nécessité de modèles fins et de modèles rapides Olivier

Auchet (Ensem, Nancy)

Les sites web commercialisant les appareils de chauffage par conduction directe.


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