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Cours 4b. CHAUFFAGE INDUSTRIEL et DOMESTIQUE

prof. Petru Todos

Chisinau 10.03.2012

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5. CHAUFFAGE DIÉLECTRIQUE

5.1. Hautes fréquencesUne substance non conductrice de l'électricité, placée dans un champ électrique alternatif àhaute fréquence, s'échauffe. Le dégagement de lachaleur a lieu dans la masse du corps à chauffer.II peut être considéré comme uniforme dans toute cette masse si la substance est homogène.La puissance dissipée est proportionnelle à la fréquence.Des générateurs électroniques délivrent : une tension comprise entre quelques centaines

et quelques milliers de volts, sous une haute fréquence de 5 à 50 mégahertz.Dans l'industrie, les applications du chauffagediélectrique par hautes fréquences sontnombreuses : collage des meubles, séchagedes bois, vulcanisation du caoutchouc,préchauffage des plastiques, pasteurisation, etc

Fig.1. Chauffage diélectrique

Fig. 2. Four à condensateur plan

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5.2 Principes physiques1. La polarisation. Les matériaux de faible conductivité électrique (diélectriques)peuvent être directement chauffés si leurs molécules possédent une structureasymétrique. Un exemple typique est la molécule d’eau. En présence d’un champélectrique cette asymétrie, ou molécule polarisée, s’orientera en fonction du champélectrique. Si le champ électrique varie la molécule changera son alignement afinde suivre les variations du champ. Certaines fréquences de champs auront poureffet de créer un "frottement" entre les molécules, résultant en la production dechaleur interne et a l’augmentation de la température du matériau.

2. Facteur de pertes. Tous les matériaux ne sont pas adaptés au chauffage pardiélectrique. La facilité avec laquelle un matériau diélectrique peut être chauffé est définie par lefacteur de pertes. Plus le facteur de perte est élevé, plus le matériau absorbe l’énergie. On souhaite réaliser des condensateurs possédant un facteur de pertefaible. Alors que le chauffage par diélectrique nécessite un facteur de pertes important. En première approche, deux phénomènes jouent un rôle dans le chauffage par diélectrique d’un matériau: la polarisation et l’ échauffement entre les molécules polarisées. L’ensemble de ces éléments est contenu dans la définition du facteur de perte ε”.

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Tableau 1: Propriétés diélectriques de quelques matériauxmatériau Tempera-

ture

30 MHz 2500 MHz

ε’ ε” ε’ ε”

Corindon +25 ｰ C 8.9 0.001 8.9 0.009

quartz +25 ｰ C 3.78 <0.001 3.78 <0.001

nylon66 +25 ｰ C 3.2 0.072 3.02 0.041

polyethylene +25 ｰ C 2.25 <0.0004 2.25 0.0007

Teflon +25 ｰ C 2.05 <0.0005

PVC +20 ｰ C 2.86 0.029 2.85 0.016

solution salée 0,5 molar

+25 ｰ C 75 2400 68 54

Eau +25 ｰ C 78 0,4 77 13

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5.3. L’applicateur

L’applicateur (ou l’espace d’opération) contient le produit qui doit être chauffé. D’un point de vue électrique, c’est un condensateur a diélectrique. Les applicateurs peuvent être construits de différentes façons , en fonction des caractéristiques spécifiques du produit ou du processus.

a.Les installations a fréquences radioPlusieurs configurations sont réalisables en fonction de l’application :• Électrodes à plaque : le produit qui doit être chauffé est place entre les plaques d’un condensateur plat. Cette technique est souvent utilisée lors de processus discontinus tels que la soudure de plastiques ou l’assemblage du bois.• Électrodes à champ radial : dans cette configuration, les électrodes ont la forme de tubes ou de tiges. Ellessont placées dans la même direction que le produit à chauffer. Des électrodes successives possédent despolarités opposées et le champ électrique est horizontal. Cette technique permet d’obtenir un champélectrique élevé conduisant ainsi à une grande densité de puissance même sur des produits de faible épaisseur. Les électrodes à champ radial sont utilisées pour des produits fins ou pour des couches fines jusqu’a 10 mm.• Électrodes en quinconce : le produit qui doit être traité se trouve entre deux lignes électrodes dont la structure est à tube ou à tige. Le champ électrique est oriente selon un angle oblique par rapport aumouvement du produit. Grâce a ce dispositif, un important champ électrique peut être obtenu en

comparaisonaux habituels condensateurs à plaques planes. Comparé à des électrodes à champ radial, cette méthodeoffre généralement un champ plus homogène. L'intensité du champ peut facilement être régulée en

modifiantla distance entre les électrodes.• Électrodes de soudure: une des principales application du chauffage par fréquence radio est la soudure deplastiques (surtout le P soudé est place entre l’ électrode plate et l’ électrode supérieure, spécialement conçu pour cette application. La pression est exercée sur l’ électrode du haut.(voir les figures).

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5.4.Installations a micro-ondesL’ énergie dans le domaine des micro-ondes, longueur d‘onde comparable aux dimensions de l’installation, ne peut pas être simplement transportée par les conducteurs habituels sur des réseaux discrets. Une transmission efficace de la puissance est obtenue par des guides d'onde fermes selon les principes de lignes a transmission. Les guides d'onde sont des canalisations métalliques, généralement de section carrée. Les dimensions dépendent de la fréquence.

Les guides d’ondes peuvent être droits ou courbes. Pour limiter les pertes de transmission, les métaux de haute conductivité tel que le cuivre ou l’aluminium sont utilises, la surface interne devant être polié et propre.Deux architectures de base existent pour les installations a micro-ondes :-- les applicateurs monomodes: le produit est déplace au travers d'un guide d'onde rectangulaire plié.-- les applicateurs multimodes : il s'agit d'une cavité résonante dans laquelle le produit est introduitAu niveau de ses effets, le chauffage par micro-ondes est un chauffage diélectrique.

La mise en œuvre de très hautes fréquences comprises entre 900 et 6000 MHz offre la possibilité de conduire l'énergie hyperfréquentielle vers les corps à chauffer par des tubes, cavités, ou guides d'ondes. La fréquence la plus couramment utilisée est 2450 MHz, elle est obtenue à l'aide demagnétrons.Ce procédé de chauffage rapide est utilisé dans l'industrie alimentaire pour décongeler les produits.

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Comparatif entre le chauffage par radio fréquences et le chauffage par micro-ondes

Les différences technologiques:- Les techniques par fréquences radio et micro-ondes sont basées sur le même principe que

décrit précédemment. La fréquence de fonctionnement est cependant différente. Les installations a fréquences radio fonctionnent dans une plage de fréquences de 10-30 MHz, associées a des longueurs d’ondes allant de 10 a 30 mètres. Les micro-ondes se situent dans la plage 900- 3000 MHz et possédent, en conséquence, de plus petites longueurs d’ondes: 10 a 30 centimètres.

- Dans la technique par fréquences radio, la longueur d’onde est plus grande que la taille duproduit qui doit être chauffé et celle des différents constituants de l’installation. Le concept debase de la méthode basse fréquence reste valable pour les raisons suivantes: les flux decourants a travers les conducteurs, qui sont isolés de la terre et des champs électriques, sontproduits entre les électrodes, comme en électrostatique.- Dans les installations a micro-ondes, les dimensions de la plupart des constituants sont pluspetites ou de la même taille que la longueur d’onde. Les outils conceptuels basses fréquencesne sont plus alors applicables et sont remplaces par ceux de l'électromagnétisme: l’ énergieest produite avec des magnétrons, transmis via des guide d’ondes et émis par des cavités oudes espaces résonants

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Les applications industrielles1 Soudure thermoplastiqueLa soudure thermoplastique sur le PVC ou les polyamides est de loin l’application la plus diversifiéedu chauffage par fréquence radio. Deux couches de plastiques sont placées entre une paire d’ électrodes et soudées sous pression. Elles peuvent être jointes l’une a l’autre de cette façon seulement si le pouvoird’absorption de ces deux plastiques est suffisamment grand. La puissance nécessaire s’ élevé a 1 kWpar 25 cm. De surface a souder. Les électrodes peuvent être ou ne pas être coupantes et sont également utiles pour le refroidissement des que le joint a été réalisé.2 Séchoir a feuilles de placageAvant que le placage soit mis en place dans le contre - plaque, la teneur en humidité doit être réduite a 7%,voir moins. La technique standard de séchage a air chaud a besoin de beaucoup de temps et ne permet pas d’obtenir un profil uniforme du taux d’humidité. C’est pour cette raison qu'un suréchauffement asouvent lieu. Avec les techniques diélectriques, un paquet de 60cm peut être séché en 10 ou 20 minutes,et un profil uniforme d’humidité peut être obtenu.3 Vulcanisation du caoutchoucLa vulcanisation est un procédé de grippage chimique dont le but est de donner au caoutchouc les propriétés mécaniques désirées. Le processus de vulcanisation apparaît a une température approximativede 200˚C et prend du temps. Un bon control de la température et du temps de processus sont cruciaux. La technologie a micro-ondes a trouve de multiples applications dans cette branche de l’industrie. Les micro-ondes sont: plus efficaces pour obtenir une température uniforme par rapport aux techniques traditionnelles a air chaud ou bains de sels (la faible conductivité thermique du caoutchouc rend difficile le transfert de chaleur par conductivité). Le plus souvent, une combinaison micro-ondes et air chaud est utilisée. Les micro- ondes chauffent le produit rapidement (ex : DT a 120K en 15 sec), après quoi leproduit est maintenu a température a l’aide d’air chaud. La rapidité de chauffe garantit une importante efficacité énergétique mais aussi un meilleur control des dimensions du produit. Les installations a micro-ondes sont utilisées sous différentes formes dans les chaînes de moulages parextrusion. Elles permettent aux profiles épais d’être chauffes. Elles assurent également la chauffe pourles profiles, avec un renforcement métallique interne : un applicateur monomode spécial assure que le champ électrique soit perpendiculaire au métal.

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Conclusions

L’avantage essentiel du chauffage par diélectrique réside dans la production de chaleur a l’intérieur du matériau a chauffer. En comparaison avec plusieurs techniques de chauffe conventionnelles (air chaud, infrarouge), dans lesquelles le matériau est chauffe via une surface extérieure, la chauffe par diélectrique est beaucoup plus rapide. Cela provient du fait que les matériaux isolés sont le plus souvent faiblement conducteurs de chaleur.

Quelques autres caractéristiques intéressantes des chauffages par fréquences radio et micro-ondes résident dans la grande densité de puissance et la possibilité d’un chauffage sélectif des matériaux. D'un autre coté, la chauffe par diélectrique est une technique très coûteuse qui, usuellement n’est pas compétitive sur le plan financier, comparée aux autres techniques de chauffe par résistance et infrarouge.

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6. CHAUFFAGE PAR RAYONNEMENT INFRAROUGE 6.1. Domaine spectral des rayonnements

6.2. Rayonnement infrarougeLe chauffage par infrarouge est un procédé de chauffage direct par

rayonnement, les produits à chauffer sont soumis à l'énergie rayonnée par des corps de chauffe appelés émetteurs.

Les différents émetteurs se classent en fonction de la longueur d'onde : — infrarouge court ( compris entre 0,76 et 2 m) : lampes, tubes à filament

de tungstène porté à une température comprise entre 1 900 et 2000°C,— infrarouge moyen ( compris entre 2 et 4 m) : éléments tubulaires

portés à des températures comprises entre 700 et 1 100°C,— infrarouge long ( compris entre 4 et 10 m) : plaques, éléments

tubulaires portés a des températures comprises entre 200 et 500 °C.

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Exemple:

Les applications industrielles du chauffage par infrarouge sont nombreuses: cuisson des peintures, séchage d'email, préchauffage des plastiques, séchage de panneaux de bois, vulcanisation, etc.

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6.3. Chauffage Infrarouge : comment ça marche ?

Avec l'avancée de la recherche et du développement, de nouvelles technologies apparaissent chaque jour pour faciliter notre quotidien. Le système de chauffage n'échappe pas à ces innovations puisqu'on constate que les chauffages traditionnels (air, central, réversible) sont substitués progressivement par le chauffage à infrarouge. Ce dernier exploite l'émission de rayonnement infrarouge à partir de panneau rayonnant pour chauffer les divers locaux. Le principe part du fait que tout corps émet de la chaleur par ondes électromagnétiques.

C'est à partir de ces derniers que la chaleur est transmise mais le tout dépend de la fréquence du rayonnement dissipé. Deux caractéristiques essentielles comptent dans ce phénomène : la source du flux d'énergie et sa température. Plus un objet est chaud, plus il émet du rayonnement. Le chauffage infrarouge part de cette idée et copie l'effet du soleil et du feu, ce qui permet aux corps et aux objets d'absorber la chaleur émise. Il s'agit donc de distribuer la chaleur par infrarouge. Il existe trois types d'émetteur infrarouge : l'infrarouge long (IRL), l'infrarouge moyen (IRM) et l'infrarouge court (IRC). Le choix du chauffage infrarouge à utiliser varie selon l'espace de sa fonction. L'infrarouge long, destiné au logement et au tertiaire, ou plus précisément utilisé pour chauffer l'intérieur de la maison, dégage une basse température. Quant à l'infrarouge moyen, son utilisation est affectée à l'industrie et au gros tertiaire tandis que l'infrarouge court peut également être utilisé pour l'industrie, mais il est spécialement fait pour les très grands bâtiments et pour l'extérieur. C'est à partir de miroir chauffant que l'infrarouge long est émis.

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Il procure de la chaleur aux objets qui se trouvent dans chaque pièce et crée ainsi une ambiance accueillante dans votre logis. A part cela, l'infrarouge long permet aussi d'économiser sur la consommation d'énergie. En effet, les murs participent à l'émission de la chaleur en réfléchissant cette dernière sur tous les objets de la pièce. Pour le système de l'IRL, le type d'émetteur nécessaire est électrique et peut reproduire jusqu'à 70 degré Celsius de température. L'infrarouge long ne présente aucune limite de température extérieure si le logement est bien isolé.

Ce type de chauffage est parfait pour toutes les pièces jusqu'aux salles de bains et chambres d'hôtels. Aujourd'hui, les couches à plasmas innovent la technologie de l'IRL, elles présentent des avantages inestimables en économie d'énergie et au confort des habitations. Il y a entre autres le fait que c'est une énergie biotique, c'est-à-dire qu'elle est très près du naturel et donc idéal pour les plantes, elle donne de l'espace à votre intérieur et élimine les appareils encombrant les pièces, elle a un effet bénéfique sur le sommeil en minimisant le brassage des poussières, et enfin, elle laisse vos murs propres et sans humidité. Pour le cas de l'industrie et du tertiaire, l'infrarouge moyen, dont l'emploi prend souvent la forme de cassettes rayonnantes, représente une solution efficace de chauffage puisqu'il est à la fois rapide et direct.

Comparés aux chauffages traditionnels, le chauffage par IRM est très économique et nécessite moins de travaux d'installation. Ce type d'émetteur infrarouge est conseillé pour les espaces à isolement thermique difficile, pour l'extérieur, pour les locaux provisoires tels que salles d'attentes, postes de travail, etc., pour les séchages de peintures, vernis, etc. Quant à l'infrarouge court, il permet d'éviter les coûts prohibitifs sur les installations et l'exploitation des chauffages traditionnels. Spécialement destiné pour les très grands locaux, l'infrarouge court est le système qui s'approche le plus du naturel en fonctionnant comme le soleil. Agissant à partir de projecteurs équipés de lampes halogènes, l'infrarouge court chauffe très rapidement les objets et les personnes sans élever la température dans le local. En effet, le procédé de l'IRC procure de la chaleur dès l'allumage du système.

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Il est efficace car il ne chauffe pas l'air et crée ainsi une ambiance agréable. En plus, l'IRC est économique car il ne nécessite pas de préchauffage et ne perd pas non plus de la température avec les courants d'air et les convections, ce qui réduit les coûts. Bref, le chauffage par infrarouge est un procédé qui facilite le quotidien en permettant à chacun de créer une atmosphère accueillante et chaleureuse partout, quelle que soit la taille du local à chauffer.

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7. RAYONNEMENT ULTRA-VIOLET

Les radiations ultra-violettes sont comprises entre :10 nanomètres (1 nm = 10-9 m), limite supérieure des rayons X,et 380 nm, limite inférieure de la lumière visible (violet). Les rayons ultra-violets sont produits par des tubes à décharge contenant desgaz rares et du mercure.La polymérisation des encres et des vernis, la stérilisation des eaux, letraitement germicide des produits sont des applications de ces rayons.

Les ultraviolets ont été découverts en 1801 par le physicien allemand Johann Wilhelm Ritter d'après leur action chimique sur le chlorure d'argent.

Les ultraviolets peuvent être subdivisés en UV proches (380-200 nm de longueur d'onde) et ultraviolets extrêmes (200-10 nm). La gamme des rayons UV est souvent subdivisée en UV-A (400-315 nm), UV-B (315-280 nm) et UV-C (280-10 nm).

Près de 5 % de l'énergie du Soleil est émise sous forme de rayonnement UV. Toutefois, en raison de l'absorption des UV par la couche d'ozone de l'atmosphère, 99 % de la lumière UV qui atteint la surface de la Terre appartient à la gamme des UV-A.

Les ultraviolets sont la cause du bronzage et à haute dose sont nocifs pour la santé humaine. Ils peuvent provoquer des cancers cutanés tel que le mélanome, provoquer un vieillissement prématuré de la peau (rides), des brûlures (coup de soleil), des catatactes.

En faible quantité le rayonnement UV est bénéfique et indispensable à la synthèse de vitamine D. Les UV servent également à traiter plusieurs maladies, dont le rachitisme, le psoriasis, l’eczéma et l’ictère

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Généralités sur les ultravioletsLes UV traversent l'atmosphère même par temps froid ou nuageux (ils n'ont rien à voir

avec la sensation de chaleur procurée par le Soleil, qui est due aux infrarouges). Ils sont plus nombreux entre 12h et 16h et à haute altitude (car en traversant une plus petite distance dans l'atmosphère, ils ont moins de chances d'être interceptés par des molécules d'ozone). Les UV sont réfléchis par l'eau (5 % des UV réfléchis), le sable (20 % des UV réfléchis), l'herbe (5 % des UV réfléchis) et surtout la neige (85 % des UV réfléchis). Le trou dans la couche d'ozone est potentiellement dangereux en raison de la nocivité importante des ultraviolets.

Dans la majorité de l'Europe, le soleil de midi, le plus agressif, est en été vers 14h, c'est pourquoi il est déconseillé de s'exposer entre 12h et 16h, tout particulièrement à proximité de l'eau ou de la neige qui réverbèrent une partie des UV ou en montagne où les taux d'UV sont plus importants.

ProtectionPour se défendre contre la lumière UV, le corps, selon le type de peau, réagit aux

expositions en libérant le pigment brun de mélanine. Ce pigment absorbe les UV, ce qui permet de bloquer leur pénétration et d'empêcher des dommages aux couches plus profondes et plus vulnérables de la peau. Des antioxydants (vitamines E et C, β-carotène...) peuvent neutraliser les radicaux libres formés par ls UV.

Les vêtements et lunettes de soleil arrêtent une partie des UV. Il existe des lotions qui contiennent des filtres ultraviolets bloquant en partie les UV, néanmoins, la plupart des dermatologues recommandent de ne pas prendre de bain de soleil prolongé.

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Utilisation Les lampes fluorescentes produisent de la lumière UV dans leur tube contenant un gaz à basse pression ; un enduit fluorescent sur l'intérieur des tubes absorbe les UV qui sont ensuite réémis sous forme de lumière visible. Les lampes halogènes produisent également des UV et ne doivent pas être utilisées sans leur verre de protection.

Des lampes UV sont également utilisées pour analyser des minerais ou des gemmes ou pour identifier toute sorte de choses, par exemple des billets de banque. Des objets peuvent paraitre semblables sous la lumière visible et différents sous la lumière UV. Des colorants fluorescents UV sont employés dans de nombreuses applications (par exemple en biochimie ou dans certains effets spéciaux).

Des lampes UV de longueur d'onde 253,7 nm (lampe à décharge à vapeur de mercure) sont utilisées pour stériliser des zones de travail et des outils utilisés dans des laboratoires de biologie et des équipements médicaux. Puisque les micro-organismes peuvent être protégés de la lumière UV par de petites fissures présentes dans le support, ces lampes sont utilisées seulement comme supplément à d'autres techniques de stérilisation.

La lumière UV est employée pour la photolithographie à très haute résolution, comme cela est exigé pour la fabrication des semi-conducteurs.

Les UV sont aussi utilisés pour le séchage des encres et le durcissement de certaines colles.

La vision des insectes, telle celle des abeilles, s'étend dans le spectre de l'ultraviolet proche (UV-A), et les fleurs ont souvent des marques visibles par de tels pollinisateurs. Certains pièges à insectes utilisent ce phénomène.

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8 mars