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Guide Power Quality Section 7: Efficacité Energétique www.leonardo-energy.org/F

Guide Power Quality Section 7: Efficacité Energétique www.leonardo-energy.org/France Edition Août 2007 Chauffage infrarouge Jean Callebaut, Laborelec Décembre 2006 1 Introduction........................................................................................................ 3 2 Principes physiques........................................................................................ 3 2.1 Le spectre électromagnétique .......................................................................... 3 2.2 Le rayonnement des corps ................................................................................ 3 2.3 Absorption du rayonnement.............................................................................. 4 2.4 Transfert énergétique par rayonnement......................................................... 5 3 Installations électriques à infrarouges....................................................... 6 3.1 Les radiateurs........................................................................................................ 6 3.2 Les réflecteurs....................................................................................................... 6 3.3 L’isolement............................................................................................................. 6 3.4 La régulation de puissance................................................................................ 7 3.5 Choix du radiateur................................................................................................ 8 4 Caractéristiques d’une installation électrique à infrarouges ............... 9 5 Applications industrielles ............................................................................ 11 5.1 Industrie des procédés en métallurgie ......................................................... 11 5.2 Les espaces chauffés........................................................................................ 11 6 Conclusions..................................................................................................... 12 7 Références et bibliographies ...................................................................... 12 © European Copper Institute & Centre d’Information du Cuivre & Copper benelux. Se référer aux conditions d’utilisation et de reproduction publiées sur le site Leonardo ENERGY www.leonardo-energ y.org/France 2 European Copper Institute L’European Copper Institute est une joint venture Européenne entre les principaux producteurs de cuivre mondiaux et les fabricants Européens de demi-produits. Créé en 1996, l’ECI assure la promotion du cuivre en Europe avec un réseau de 11 centres de développement basés en Allemagne, au Benelux, en Espagne, en France, en Grèce, en Hongrie, en Italie, en Pologne, au Royaume Uni, en Scandinavie et en Russie. L’ECI poursuit les efforts initialement engagés par le Copper Products Development Association, créé en 1959, et de l’INCRA (International Copper Research Association) créé en 1961. Centre d’Information du Cuivre, Laiton & Alliages et Copper benelux Ce sont les organisations professionnelles des producteurs et des transformateurs de cuivre chargées de promouvoir les applications du cuivre et de ses alliages sur les marchés français et du Benelux. Financés par les producteurs de cuivre du monde entier et par les sociétés fabricants de demi-produits, le Centre d’Information du Cuivre et Copper benelux mettent en oeuvre des programmes de développement sur leurs marchés respectifs en coordination avec les structures professionnelles internationales de leurs mandants : International Copper Association au niveau mondial, European Copper Institute au niveau Européen. Ils ont pour vocation de produire et de diffuser l’information technique relative au cuivre et à ses alliages, de faire connaître les meilleures méthodes de mise en oeuvre des produits dans chacun de leur domaine d’emploi et d’en promouvoir l’utilisation dans les grands secteurs d’application. Le Centre d’Information du Cuivre et Copper benelux sont les coordinateurs respectivement pour la France et le Benelux du programme européen Leonardo relatif à la formation en matière de «Power Quality». Remerciements Ce projet a été mis en œuvre avec le soutien de la Communauté Européenne et l’International Copper Association Ltd. Avertissement Le contenu de ce projet ne reflète pas nécessairement la position de la Communauté Européenne. De même, il n’implique aucune responsabilité de la part de la Communauté Européenne. L’European Copper Institute, le Centre d’information du Cuivre et Copper benelux déclinent toutes responsabilités pour toutes conséquences directes ou indirectes ou les dommages qui pourraient résulter de l’utilisation du contenu ou de l’incapacité à utiliser les informations et les données de ce guide. © European Copper Institute & Centre d’Information du Cuivre & Copper benelux. Se référer aux conditions d’utilisation et de reproduction publiées sur le site Leonardo ENERGY www.leonardo-energ y.org/France 3 1 I n t r o d u c t i o n Le rayonnement infrarouge est de même nature que le rayonnement émis par le soleil. Une source de chaleur à haute température émet des ondes infrarouges qui sont, par la suite, absorbées par un corps froid. Ainsi, la chaleur est transférée essentiellement par rayonnement électromagnétique, sans intermédiaire. A l’intérieur des fours à résistance à haute température, la chaleur est également transférée à une large surface par rayonnement. Cependant, concernant le chauffage par infrarouges, la source de chaleur irradie le corps directement. Parfois, des surfaces réflectives sont utilisées pour concentrer ou dévier les rayons. Le chauffage par infrarouges est typiquement une technique de traitement de surface et est préférentiellement dédié au chauffage de produits de forme géométrique simple. 2 P r i n c i p e s p h y s i q u e s 2.1 Le spectre électromagnétique Le rayonnement infrarouge est une forme du rayonnement électromagnétique. Dans le spectre des fréquences électromagnétiques, la zone des ondes infrarouges est comprise entre la lumière visible et les micro-ondes, ce qui revient à dire que la zone est comprise entre 0,76 et 1000 µm (longueur d’ondes). Cependant, seule la zone située entre 0,76 µm et 10 µm est intéressante pour les procédés de chauffage industriels. Dans cette zone, trois régions sont traditionnellement distinguées : • les ondes infrarouges proches 0,76 – 2 µm • les ondes infrarouges moyennes 2 – 4 µm • les ondes infrarouges lointaines 4 – 10 µm 2.2 Le rayonnement des corps Le rayonnement thermique qui est transmis à travers une surface se compose de spectres continus de longueur d’ondes. La décomposition spectrale et la quantité d’énergie rayonnée dépendent de la température de la surface et de son état. Les propriétés de rayonnement des corps sont traditionnellement étudiées en utilisant le concept du corps noir. Un corps noir est par définition un corps qui absorbe tous les rayonnements qu’il reçoit (α=1). Il peut être démontré que ce corps émet à une température donnée, plus de rayonnement qu’un autre corps. Deux lois essentielles décrivent le phénomène de rayonnement : 1) Loi de Stefan-Boltzmann : La puissance totale par unité de surface rayonnée est proportionnelle à la quatrième puissance de la température de la surface. © European Copper Institute & Centre d’Information du Cuivre & Copper benelux. Se référer aux conditions d’utilisation et de reproduction publiées sur le site Leonardo ENERGY www.leonardo-energ y.org/France 4 M =ε ×σ ×T4 (W/m²) σ : constante expérimentale de Stefan-Boltzmann 5,73 x 10-8 W/(m²K4) T : température absolue de surface (K) ε : coefficient d’émissivité Le coefficient d’émissivité ε est dépendant de la température, des propriétés du corps rayonnant et de la longueur d’onde. Pour des applications industrielles, ε sera considéré comme une constante dont la valeur choisie est représentative de l’échelle de température concernée et de l’état de la surface. Ce corps est alors connu sous le nom de corps « gris » (avec ε constant). 2) La loi de Wien Cette loi donne une expression de la longueur d’onde lorsque l’émissivité monochromatique est maximale. λmax×T=C λmax : longueur d’onde (µm) T : température absolue de surface (K) C : 2898 µm×K La loi de Wien est importante dans la pratique pour le choix d’un radiateur à infrarouges. En dernier ressort, la température du radiateur sera souvent choisie de façon à obtenir λmax aux alentours du maximum du spectre d’absorption de l’objet qui doit être chauffé. C’est de cette manière que l’on obtient un chauffage efficace. 2.3 Absorption du rayonnement La réussite d’une application infrarouges est, pour une surface de grande étendue, dépendant du comportement d’absorption du matériau à chauffer. Seuls les rayonnements absorbés sont convertis en chaleur. Deux propriétés importantes du transfert d’énergie par rayonnement doivent être prises en compte lors de l’utilisation du chauffage par infrarouges. 1. La position relative du rayonnant et du récepteur est importante (cos α1, cos α2). 2. Plus la distance entre l’émetteur et le récepteur est élevée, moins la densité de puissance reçue est importante (1/R²). En réalité, seule une fraction du rayonnement incident est absorbée et convertie en chaleur. Le coefficient d’absorption est défini comme étant le ratio entre le flux absorbé et le flux incident. Le coefficient α est souvent dépendant de la longueur d’onde du rayonnement incident. Lors de la conception d’une installation de chauffage par infrarouges, ce comportement est un facteur déterminant : il détermine le choix du rayonnement optimal de l’élément. © European Copper Institute & Centre d’Information du Cuivre & Copper benelux. Se référer aux conditions d’utilisation et de reproduction publiées sur le site Leonardo ENERGY www.leonardo-energ y.org/France 5 Par ailleurs, le coefficient d’absorption est également conditionné par les propriétés de la surface irradiée : rugosité de la surface, propriétés chimiques, couleur, épaisseur du matériau, température etc.… WATER absorption [%] wavelength [µm] Figure 1 : Spectre d’absorption de l’eau 2.4 Transfert énergétique par rayonnement Le transfert énergétique est complètement déterminé par la température des deux corps, de leur forme et de leurs positions respectives. La formule de la puissance incidente est la suivante (surface rayonnante A1 et surface irradiée A2). ( ) 4 2 4 1 12 1 T T F A P − ⋅ ⋅ ⋅ ′ ⋅ = ε σ σ : constante expérimentale de Stefan-Boltzmann 5,73 x 10-8 W/(m²K4) έ : coefficient d’émissivité généralisé A1 : surface rayonnante [m²] F12 : facteur de forme (A2 vu de A1) T1 : température de la surface rayonnante (K) T2 : température de la surface irradiée(K) Le facteur de forme F12 est sous dimensionné et est déterminé par la géométrie, la distance et la position des deux surfaces respectives. Pour des configurations viables, les coefficients de formes sont disponibles sous forme de diagramme. Absorption (en %) Eau Longueur d’onde (µm) © European Copper Institute & Centre d’Information uploads/Industriel/ chauffage-infrarouge.pdf