Puissance pour induction - www.himmel-france.com

Calorimétrie N°4

Calcul théorique de la puissance pour machine induction

Un cas concret 

Nous souhaitons élever la température de 100 grammes de fer d’une température ambiante de 20°C à une température de brasage avec apport de pâte à braser dont le point de fusion se situe à 620°C. Ii faut atteindre ces 620°C en un temps T de 10 secondes.

a/Quelle est l’énergie nécessaire en Joules pour remplir cette fonction ?

b/Quelle est la puissance en Watts à utiliser pour respecter les données ci-dessus ?

On peut réaliser cette opération grâce à la chauffe induction et nous allons déterminer la puissance d’un générateur induction à utiliser.

Tout d’abord nous devons calculer le nombre de Joules nécessaires pour répondre au problème du point a/ en utilisant la formule :

 Q(Joules) = P(grammes) x C(Joules/gramme.t°C) x ∆t°C = 100 x 0.470 x (620-20)= 28200 Joules.

Maintenant il est possible de trouver la puissance demandée au point b/ en appliquant la formule :

 Q(Joules) = P(Watts) x T(en secondes) donc  P(Watts) = Q(Joules) : T(en secondes).

P(Watts) = 28200 : 1 = 28200 Watts pour chauffer en 1 seconde à 620°C une masse de 100 grammes de fer. 

Pour chauffer maintenant en 10 secondes donc 10 fois moins vite il faudra :

P(Watts) = 28200 : 10 = 2820 Watts.

Et en 100 secondes : P(Watts) = 28200 : 100 = 282 Watts.

Remarque très importante

Si la puissance est une fonction du temps, la quantité d’énergie nécessaire pour répondre au problème posé ci-dessus reste inchangée et constante.

Par contre il est très intéressant de jouer sur le temps pour utiliser des machines induction de puissance moindre que les fabricants de générateurs induction proposent. En effet il va de soi qu’un générateur à induction de 282 Watts sera meilleur marché qu’une machine à induction de 2820 Watts.

Plus les contraintes du facteur temps sont négociables dans l’allongement, alors plus la puissance diminue. Dans ce cas le facteur économique peut devenir prépondérant. 

Toute cette partie calcul et théorie a été particulièrement très détaillée afin de rendre compréhensible un point très important, soit la calorimétrie adaptée à l’induction.

Mais nous avons considéré cette étude pour une situation parfaite, soit avec des rendements de 100%, ce qui n’est absolument pas le cas pour un chauffage par induction.

Maintenant reste à proposer une solution à partir de cette étude théorique qui fournit des résultats sans tenir compte des pertes de rendement, afin de transposer ces calculs dans une situation pratique et industrielle.

Cela fera partie d’une prochaine étude.

Traitement thermique et puissance des machines à induction

Calorimétrie N°3

Calcul de puissance pour machine induction

Nous allons exploiter la formule ci-dessous pour continuer notre étude progressive et très détaillées pour le traitement thermique ou tout autre chauffage.

Q = P x C x ∆t°C

Expliquons cette formule :

Q = une énergie en Joules, soit une puissance en Watts multipliée par un temps T en secondes

P = le poids en grammes de la pièce à chauffer

C = la chaleur massique de la pièce à chauffer exprimée en Joules/gramme.t°C 

       Rappel : pour le fer, il faut 0,470 Joule pour élever 1 gramme de fer de 1°C

∆t°C  (delta t°C) = température en C° à atteindre en partant de la température de départ du corps.

Exemple : température de départ d’un gramme de fer = 10°C, température à obtenir = 510°C.

Calculons le  ∆t°C, soit 510°C – 10°C = 500°C

Calculons l’énergie en Joules nécessaire pour élever de 500°C en 1 seconde 1 gramme de fer.

Q = P x C x  ∆t°C = (P)1 gramme x (C)0,470 Joules/gramme.C° x (t°C)500°C = 1 x 0,470 x 500 = 235 Joules.

Il est primordial de bien comprendre que la notion de temps soit une durée de n secondes est le temps pendant lequel une énergie de 235 Joules sera injectée à notre  1 gramme de fer pour une élévation de 1°C par n secondes.

Par contre la notion de puissance est bien différente, car plus le temps sera long pour injecter cette quantité d’énergie de 235 Joules, moins il faudra de puissance en effet la formule ci-dessous le confirme.

Q(Joules) = P(Watts) x T(en secondes) donc P(Watts) = Q(Joules) : T(en secondes)

La quantité d’énergie en Joules à injecter dans une matière quelconque dont le poids est connu pour l'élever à une T°C connue ne varie pas.

Dans l'exemple : Ci-dessus on demande une énergie de 235 Joules qui peut être injectée en 1, 2, 10, 30 ou 80 secondes….etc. Ce chiffre de 235 est donc bien constant, seul la puissance variera.

On peut comparer cet exemple à un récipient qui a une contenance de 2 litres, on peut très bien mettre 1, 5, 100 ou 1000 secondes pour remplir ce récipient mais on mettra toujours 2 litres d’eau, seul le débit en litre/minute variera.

 Nous étudierons lors du prochain article un cas concret qui mettra en application ce qui a été étudié précédemment pour une soudure par induction par exemple.

Traitement thermique

Four à induction

Exemple de machine induction compact pour la fonte de tous les métaux.
La société Himmelwerk Induction propose des systèmes clés en mains pour la fonte des métaux dans des creusets de tailles différentes selon applications. 
Un générateur pour traitement thermique est intégré dans un rack sur lequel un creusets destiné à recevoir les métaux à fondre est intégré. 
La photo est très explicite à ce niveau et l'ensemble complet générateur et creuset permettent d'effectuer la fusion de tous les métaux allant de l'or, en passant par l'acier, les cuivreux, titane ....etc.

L'efficacité des générateurs à induction de la firme Himmelwerk ne sont plus à démontrer à ce jour. Une expérience d'une soixantaine d'années dans le domaine de l'induction représente une notoriété incontestable.

Puissance induite et énergie

Calorimétrie N°2

Energie, puissance, induction

Explication fondamentale

La relation entre une puissance exprimée en Watts et une énergie exprimée en Joules dépend aussi du facteur temps exprimé en secondes.

 La quantité de Joules (Q) est une puissance (P) exprimée en Watts et multipliée par un temps (T) en secondes.

On retiendra la formule suivante :

Q(en Joules) = P(en Watts) x T(en secondes)

Donc

P(en Watts) = Q(en Joules) : T(en secondes)

Dans notre exemple ci-dessus pour l’eau, il faut fournir 4,186 Joules ou 1 Calorie pendant un temps de 1 seconde pour élever de 1°C un poids de 1g d’eau.

La Calorie est une ancienne mesure qui a été remplacée par le Joule.

Je rappelle que 1 Calorie = 4,186 Joules

La puissance utile transmise de la source capable de produire une puissance en Watts est de :

 P(en Watts) = Q(en Joules) : T(en secondes) 

 soit  

 P(Watts) = 4,186(Joules) : 1(seconde) = 4,186 Watts.

Si maintenant je souhaite élever cette température toujours de 1°C mais pour un litre d’eau soit un poids de 1 Kg en un temps de 1 seconde, la puissance à fournir sera de 1000 fois supérieure :

P = 4,186 x 1000 = 4186 Watts.

Il faudra déjà utiliser une source de puissance non négligeable, comme un générateur pour le chauffage par induction par exemple. 

Applications aux métaux

Prenons un autre cas concret se rapportant à un métal, soit le fer en l’occurrence.

La masse calorifique du fer est de 0,470 Joule/Gramme.°C, ce qui signifie que pour élever de 1°C en un temps de 1 seconde un poids de 1 gramme de fer, il faudra injecter à ce gramme de fer une énergie de 0,470 Joule durant 1 seconde.

Si la masse poids du fer est maintenant de 1Kg, soit 1000 grammes, alors pour élever de 1°C en un temps de 1 seconde un poids de 1Kg de fer, il faudra injecter à ce Kg de fer une énergie de 0,470 Joule x 1000 durant 1 seconde, soit une énergie de 470 Joules.

Maintenant calculons la puissance nécessaire pour fournir cette énergie de 470 Joules.

Je rappelle la formule à utiliser:

P(en Watts) = Q(en Joules) : T(en secondes)

soit 

P(Watts) = 470(Joules) : 1(seconde) = 470 Watts.

Supposons maintenant que l’on souhaite augmenter la température de notre 1Kg de fer de 10°C en une seconde.

La puissance nécessaire sera de:

P(Watts) = 470(Joules) : 1(seconde) x 10°C = 4700 Watts.

En d’autres termes, si j’ai un bloc de 1Kg de fer à 20°C et je souhaite que sa nouvelle température atteigne 30°C en un temps de 1seconde, il me faudra donc une puissance de 4700 Watts.

Un autre cas par exemple, j’ai un brasage par induction à réaliser avec de la brasure étain et la température à atteindre est de 200°C.

Si le bloc de 1 Kg de fer est à 20°C, pour passer à 200°C, il est nécessaire d’augmenter la température de 200°C – 20°C = 180°C. Et si j’exige que cette température soit obtenue en 1 seconde, alors la puissance à injecter sera de:

P(Watts) = 470(Joules) : 1(seconde) x 180°C = 84600 Watts.

Nous constatons que cette puissance devient très importante et nous verrons comment adapter cette application de manière utilisable plus facilement.

Calorimétrie et traitement thermique

Calorimétrie N°1

Les applications de la calorimétrie 

Principe de base

Chaleur Massique C d’un corps

Définition :

La chaleur massique (désignée en général par la lettre majuscule C) d’un corps est la quantité d’énergie nécessaire à injecter à ce corps pour élever de 1C° une masse de 1Kg de ce corps.

La chaleur massique d’un corps s’exprime en Joules/kg.°C ou Joules/gramme.°C

Exemple : j’ai une quantité de 1 litre d’eau, soit 1 kg, la température de cette eau est à 20C°.

Je souhaite élever cette température de l’eau de 1C°, soit à une température de 21°C en 1 seconde.

La chaleur massique pour l’eau est de 4186 : cela signifie que pour augmenter de 1°C un poids de 1kg d’eau en un temps de 1 seconde, il faudra injecter une quantité d’énergie de 4186 Joules à 1kg d’eau ou à 1 litre d’eau pendant 1 seconde.

La suite ci-dessous trouve des applications comme par exemple dans le traitement thermique........etc.

La chaleur massique varie bien entendu d’un corps à l’autre, soit  pour le fer 472(J/kg/°C).

En tenant le même raisonnement que ci-dessus, on s’aperçoit que pour élever de 1°C un poids de 1kg de fer, en un temps de 1 seconde, il faudra injecter à ce kg de fer, une énergie de 470 Joules durant 1 seconde.

On remarque qu’il faudra environ 9 fois moins d’énergie pour élever de 1°C un poids de 1kg de fer en un temps de 1 seconde.

Les machines induction sont capables de délivrer cette énergie. 

Tableau des chaleurs massiques de quelques matériaux ci-dessous

Solide (à 25º C)	Chaleur massique (J/(g ·ºC))
Magnésium	0,98
Aluminium	0,90
Quartz	0,790
Verre	0,782
Fer	0,472
Zinc	0,39
Cuivre	0,397
Argent	0,234
Mercure	0,14
Or	0,134
Plomb	0,130

On peut aussi trouver une ancienne unité de mesure qui est la calorie.

A titre d’exemple il faut une calorie pour élever de 1°C un poids de 1 gramme d’eau. 

La correspondance entre Calorie et Joules est la suivante :

1 calorie = 4,186 Joules

L'induction pratique

Plaque à induction et gazinière 

Différence fondamentale entre ces deux procédés de chauffage

Rappel des conditions de l'expérience :

-  1 litre d’eau à chauffer

-   Casserole de 17.5 cm de diamètre non couverte lors du chauffage

-   Puissance de 2,2 kW pour la plaque à induction et même puissance pour la gazinière

-  Diamètre de la plaque à induction : s’adapte à la taille de la casserole

- Diamètre brûleur gazinière : 10 cm

Avec le graphique, on voit clairement qu’on atteint plus vite 90°C avec une plaque à induction qu’avec une gazinière. 

-          Evolution de la température :

En effet, il faut 4 minutes et 40 secondes avec une plaque à induction pour porter 1 litre d'eau à 90° tandis qu’il faut 5 minutes et 45 secondes avec la gazinière.

Cela fait une différence d’environ 1 minute.

Finalement cette expérience met en évidence les économies que l’on peut effectuer avec une plaque à induction.

On peut ainsi s’interroger sur l’origine de cet écart conséquent !

Voici une partie de l'explication ci-dessous.

-          Etude à l’aide d’une caméra thermique

1/ Plaque à induction.

2/ Gazinière

Conclusion :

La capacité d’adaptation de la plaque à induction par rapport à la surface à chauffer est bien supérieure à celle de la gazinière.

Chauffage induction vidéos

Nos vidéos chauffage induction

Nous vous présentons des vidéos réalisées dans notre laboratoire pour des applications industrielles classiques.

Ces vidéos ne sont pas exhaustives, mais sont représentatives des possibilités offertes grâce à la chauffe des métaux par induction.

La société Himmelwerk possède un savoir-faire de très longue date dans cette technique et peut proposer toute une gamme de générateurs et inducteurs avec tout un environnement pour résoudre vos applications industrielles dans le domaine de la chauffe des métaux par induction.
N'hésitez pas à nous soumettre vos projets.

Pour consulter nos vidéos, il suffit de valider ce lien.

Aperçu d'une partie de notre laboratoire

Livre blanc des inducteurs version 3

Version n°3 du livre blanc des inducteurs

Cette version comporte plus d'images et aussi des représentations coloriées du champ magnétique produit par le courant circulant dans l'inducteur.

Cette représentation rend moins abstraite la présence du champ magnétique induit dans les pièces soumises à ce champ.

Vous pouvez consulter l'article de base résumant le contenu de ce livre en clickant sur ce lien.

Le lien suivant vous permettra de lire quelques pages de la version n°3 du livre blanc des inducteurs et éventuellement d'acquérir cet ouvrage.

Inducteur Induction Générateur Chauffe lévitation

Chauffage par induction d'un morceau de métal en lévitation

Pour visualiser cette vidéo, cliquez sur le lien ci-dessous "Chauffage induction"

Chauffage induction

Cette vidéo a été réalisée par le laboratoire de la société Himmelwerk en Allemagne.

A ce jour (22-10-2015) cette vidéo a été visualisée plus de 23300 fois.

Cela prouve l'intérêt de cette technique que la société Himmelwerk détient ainsi qu'une maîtrise avec une expérience incontestable.

L'inducteur de conception spéciale est le siège de courants induits particulièrement puissants, dont la fonction est d'assurer une chauffe sans contact de la pièce métallique et aussi de permettre la lévitation du morceau de métal.

Vous pouvez consulter le site de la société en cliquant sur ce lien : traitement thermique

Chauffage titane induction

Chauffage d'une barre titane gros diamètre

Cette photo présente une barre de titane portée à une température de 900° pour ensuite être étirée et travaillée à chaud pour des applications de l'aéronautique.

La méthode de chauffage utilisée est l'induction.

Un générateur de la société Himmelwerk exécute ce travail avec une régulation de chauffe par infrarouge afin d'assurer une température stable et précise dès la consigne atteinte.

La chauffe au défilé de fil titane de petit diamètre  est aussi très utilisée pour la frappe à chaud de ce métal particulièrement délicat à travailler.

La vaste gamme des générateurs Himmelwerk permet de répondre aux exigences industrielles les plus sévères.

La société Himmelwerk possède un savoir-faire de longue date dans la réalisation des inducteurs complexes pour répondre aux sollicitations de l'industrie.

Vous pouvez consulter nos vidéos concernant la chauffe de barres de titane  http://www.youtube.com/user/ChauffageInduction.

Sur le site http://www.himmel-france.com/ vous trouverez une grande partie de la gamme des générateurs fabriqués par la société Himmelwerk à Tübingen en Allemagne.

Brasage induction à l'étain

Exemple d'un brasage par induction basse température

 

 Cliquez sur "Brasage étain" ci-dessous pour activer la vidéo

Brasage étain

Cette vidéo a été réalisée dans le laboratoire de la société Himmelwerk à Tübingen.

Brasage avec générateur à induction, matériel de la société Himmelwerk.

Ce type de brasage par induction avec soudure à l'étain utilise un générateur de chauffe par induction avec fréquence et puissance appropriées.

Cette application nécessite une température voisine de 200 C°.

Les générateurs Himmelwerk sont capables de braser ou souder des métaux ensemble à des températures supérieures à 1000 C°, par exemple l'assemblage du titane.

L'inducteur a été conçu par Himmelwerk pour cette application de brasage.

Himmelwerk date de 1879 et à ce jour Himmelwerk se présente comme un leader dans le domaine de l'induction.

Trempe induction

Trempe par induction  avec générateur de la société Himmelwerk

Exemple de trempe par induction de pointes métalliques

Cette vidéo a été réalisée dans le laboratoire de la société Himmelwerk à Tübingen.Ce type de trempe par induction utilise un générateur de chauffe par induction avec fréquence et puissance appropriées.Cette application nécessite une chauffe très rapide afin de durcir les pointes métalliques soumises au champ magnétique.Les générateurs Himmelwerk sont capables de tremper les métaux à des températures qui sont fonction des applications liées au traitement thermique.L’inducteur a été conçu par Himmelwerk pour cette application de trempe par induction.

Nos sites internet :

http://www.himmel-france.com

http://www.chauffage-induction.com/

http://www.snt-induction.com/

http://www.snt-ami.com/

Traitement thermique outil coupant

Traitement thermique par induction

 

Cliquez sur le lien ci-dessous "Trempe induction" pour activer la vidéo.

Trempe induction

L'outil coupant est mis en rotation à l'intérieur d'un inducteur qui est le siège d'un fort champ magnétique.

Le champ magnétique est produit par un générateur de la marque Himmelwerk leader dans le domaine de la chauffe des métaux par induction.

Chauffage induction de puissance - Inducteur

Chauffe très haute température - Inducteur de puissance

Voici un exemple spectaculaire de chauffage par induction avec un générateur de grosse puissance.

L'application a été réalisée par le spécialiste de l'induction "Himmelwerk Induction".

A l'intérieur de l'inducteur se trouve un morceau de métal dont le point de fusion est élevé, aux environ de 1800°.

L'inducteur est constitué d'un gros tube de cuivre à l'intérieur duquel passe de l'eau afin de dissiper la chaleur engendrée par le courant moyenne fréquence qui circule dans ce tube.

L'inducteur est relié au générateur qui lui fournit une puissance supérieure à 100 KW soit dans l'inducteur.

Le champ magnétique qui se trouve à l'intérieur de la bobine que constitue le tube de cuivre de l'inducteur, attaque le morceau de métal qui devient alors le siège de courants électriques très élevés. Ce phénomène physique permet la forte montée en température du métal.

Vous pouvez voir aussi des vidéos concernant ce phénomène.

Livre blanc des inducteurs

Le livre blanc des inducteurs

Ce fascicule a pour but de  familiariser les utilisateurs de l’induction à cette technique qui relève du domaine l’électronique, tout en restant assez pratique et concret afin de permettre au profane une compréhension de cette discipline en évitant les formules mathématiques complexes.

La plus grande partie de ce cours est réservée à la réalisation pratique, de manière a donner des exemples de solutions concrètes pour les applications industrielles inductives.

La réalisation pratique d’inducteurs en fonction des applications de chauffe par induction Le but est de rester en contact avec la réalité industrielle afin que l’utilisateur soit à même de réaliser assez facilement le type d’inducteur dont il a besoin.

Bien entendu ce cours ne prétend pas résoudre tous les problèmes d’adaptation des inducteurs pour une chauffe optimale, car il y aura des cas particuliers qui demanderont une étude très approfondie pour obtenir l’inducteur adéquat.

Néanmoins ce fascicule a le mérite d’apporter une connaissance suffisante pour résoudre la fabrication des inducteurs dans beaucoup de cas, et aussi de vulgariser la technique de l’induction  pour une approche relativement aisée pour un profane de la chauffe par courant magnétique.

Consulter le site pour lecture partielle du "Livre Blanc des Inducteur"