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Gilles GREFFIER : Ingénieur-Chercheur à la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France (Groupe Effet Joule)
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Lire l’articleINTRODUCTION
Cet article traite plus particulièrement des résistances électriques dissipant une puissance élevée par effet Joule. Fonctionnant à haute température (au-delà de 400 oC), elles sont constituées de matériaux réfractaires. Elles sont un composant de première importance dans les installations de chauffage par effet Joule (fours électriques, dispositifs de mise en forme à chaud…). Les rhéostats de démarrage et de freinage des moteurs électriques font également appel aux mêmes matériaux réfractaires.
Pour les autres résistances, le lecteur pourra se reporter aux articles Résistances. Potentiomètres [12], Céramiques semiconducteurs [13] et Varistances [14], dans le traité Électronique, et, pour les varistances céramiques, aux articles Composants spécifiques de protection contre les perturbations [8] [9] dans ce traité.
Après avoir rappelé le fonctionnement des résistances électriques ou « éléments chauffants » dans le cas des fours électriques, on présente les différents matériaux réfractaires utilisés, en s’attachant à définir les limites, la durée de vie et les applications actuelles. Pour avoir une vue plus complète sur l’ensemble des composants d’un four (isolants, régulation, alimentation électrique…), le lecteur pourra se référer à l’article Électrothermie. Chauffage par effet Joule dans ce traité [5].
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1. Utilisation des éléments chauffants
La compréhension des transferts radiatifs entre un élément chauffant et les parois d’un four ou la charge traitée dans un four est nécessaire pour établir le lien entre la puissance thermique dissipée et la température de l’élément. Car c’est bien de la température de la résistance que dépend sa durée de vie et non, comme il est d’usage de le dire, de la puissance surfacique dissipée.
1.1 Transferts thermiques
Un élément chauffant ou résistance est un conducteur dans lequel une puissance électrique est transformée en chaleur par effet Joule, suivant l’équation :
avec :
- I :
- (A) intensité du courant parcourant la résistance
- P :
- (W) puissance dissipée
- R :
- (Ω) résistance ou valeur ohmique de l’élément chauffant
- U :
- (V) différence de potentiel aux bornes de la résistance.
Dans un four électrique, les transferts thermiques des sources de chaleur (résistances) vers la charge se font essentiellement par rayonnement. Dès 600 oC, la puissance transférée par convection naturelle représente moins de 20 % de la puissance rayonnée. En effet, contrairement à la convection naturelle, le rayonnement fait intervenir les températures des résistances et de la charge à la puissance 4.
-
Ainsi, la puissance dissipée par effet Joule se répartit à chaque instant entre :
-
les pertes diverses : conduction dans les parois, joints de portes, joints d’eau ou de sable, ponts thermiques, rayonnement vers l’extérieur… ;
-
l’accumulation de chaleur dans les parois, moufles, supports de charge… ;
-
la puissance utile P u effectivement transférée de la résistance vers la charge.
Cette puissance utile est fonction des températures, géométries et propriétés radiatives de la charge et des résistances, mais aussi, ce...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOST (M.) - Les fours industriels à résistances électriques. - Electra Dopee Diffusion, 520 p. (1989).
-
(2) - SACADURA (J.F.) - Initiation aux transferts thermiques. - Technique et documentation, 445 p. (1980).
-
(3) - DESCHAMPS (G.) - Résistances tubulaires et tubes à passage direct de courant. Conception, mise en œuvre et applications industrielles. - Publication EDF Industrie disponible à l’Espace ELEC, CNIT La Défense sous la référence 1.42.1.01.8., 51 p. (1990).
-
(4) - CHAUDRON (G.), TROMBE (F.) - Les hautes températures et leurs utilisations en physique et chimie. - Masson, Tome 1, 550 p. (1973).
-
(5) - HEURTIN (J.), MAZOYER (J.-L.) - Électrothermie. Chauffage par effet Joule. - D 824, déc. 1992 (supprimé en 8-2000). A paraître : OBERLIN (C.) et coll. – Fours à résistances : caractéristiques. D 5 910 et Fours à résistances : applications. D 5 911, 11-2004.
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...
ANNEXES
1 Constructeurs - Fournisseurs
Le tableau 1 (p. 2) présente les principaux fournisseurs avec les caractéristiques des résistances qu’ils commercialisent.
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