Chauffage infrarouge
Histoire [ Modifier ]
L' astronome germano-britannique Sir William Herschel est reconnu pour avoir découvert l' infrarouge en 1800. Il a fabriqué un instrument appelé spectromètre pour mesurer l'amplitude de la puissance radiante à différentes longueurs d'onde . Cet instrument a été fabriqué à partir de trois pièces. Le premier était un prisme pour attraper la lumière du soleil et diriger et disperser les couleurs sur une table, le second était un petit panneau de carton avec une fente assez large pour qu'une seule couleur puisse le traverser et finalement, trois thermomètres en verre. Grâce à son expérience, Herschel a trouvé que la lumière rouge avait le plus haut degré de changement de température dans le spectre de la lumière , cependant, le chauffage infrarouge n'était pas couramment utilisé jusqu'à la Seconde Guerre mondiale . Pendant la Seconde Guerre mondiale, le chauffage infrarouge est devenu plus largement utilisé et reconnu. Les principales applications se situaient dans les domaines de la finition des métaux, en particulier dans le durcissement et le séchage de peintures et de laques sur des équipements militaires. Les banques d'ampoules ont été utilisées avec beaucoup de succès, mais selon les normes actuelles, les intensités de puissance étaient très faibles. La technique offrait des temps de séchage beaucoup plus rapides que les fours à convection de combustible de l'époque. Les goulots d'étranglement de la production ont été atténués et les fournitures militaires aux forces armées ont été maintenues. Après la Seconde Guerre mondiale, l'adoption des techniques de chauffage par infrarouge s'est poursuivie mais de façon beaucoup plus lente. Au milieu des années 1950, l'industrie automobile a commencé à s'intéresser aux capacités de l'infrarouge pour le durcissement de la peinture et un certain nombre de tunnels infrarouges de ligne de production ont été utilisés. [
Éléments [ Modifier ]
Le matériau de filament le plus commun utilisé pour les radiateurs infrarouges électriques est le fil de tungstène , qui est enroulé pour fournir plus de surface. Les alternatives à basse température pour le tungstène sont le carbone ou les alliages de fer, de chrome et d'aluminium (marque déposée et marque Kanthal ). Alors que les filaments de carbone sont plus capricieux à produire, ils chauffent beaucoup plus rapidement qu'un appareil de chauffage à ondes moyennes comparable basé sur un filament FeCrAl.
Lorsque la lumière n'est pas souhaitable ou n'est pas nécessaire dans un appareil de chauffage, les radiateurs à rayonnement infrarouge en céramique sont le choix préféré. Contenant 8 mètres de fil de résistance en alliage enroulé, ils émettent une chaleur uniforme sur toute la surface de l'appareil de chauffage et la céramique absorbe 90% du rayonnement. Comme l'absorption et l'émission sont basées sur les mêmes causes physiques dans chaque corps, la céramique est idéale comme matériau pour les radiateurs infrarouges.
Les radiateurs infrarouges industriels utilisent parfois un revêtement d'or sur le tube de quartz qui reflète le rayonnement infrarouge et le dirige vers le produit à chauffer. En conséquence, le rayonnement infrarouge qui frappe le produit est pratiquement doublé. L'or est utilisé en raison de sa résistance à l'oxydation et de sa très haute réflectivité IR d'environ 95%. [4]
Types [ Modifier ]
Les radiateurs infrarouges sont couramment utilisés dans les modules infrarouges (ou banques d'émetteurs) combinant plusieurs radiateurs pour atteindre des zones chauffées plus grandes.
Les radiateurs à infrarouge sont généralement classés en fonction de la longueur d'onde qu'ils émettent:
Les radiateurs infrarouges proches (NIR) ou infrarouges à ondes courtes fonctionnent à des températures de filament élevées supérieures à 1800 ° C et, lorsqu'ils sont disposés dans un champ, atteignent des densités de puissance élevées de quelques centaines de kW / m 2 . Leur longueur d'onde maximale est bien inférieure au spectre d'absorption de l'eau, ce qui les rend impropres à de nombreuses applications de séchage. Ils sont bien adaptés pour le chauffage de la silice où une pénétration profonde est nécessaire.
Les radiateurs infrarouges à ondes moyennes et au carbone (CIR) fonctionnent à des températures de filament d'environ 1000 ° C. Ils atteignent des densités de puissance maximales allant jusqu'à 60 kW / m 2 (ondes moyennes) et 150 kW / m 2 (CIR).
Les émetteurs à infrarouge lointain (FIR) sont généralement utilisés dans les saunas dits infrarouges à basse température. Ceux-ci ne constituent que la gamme la plus haute et la plus chère du marché du sauna infrarouge. Plutôt que d'utiliser des émetteurs céramiques en carbone, en quartz ou en watt émettant des rayonnements infrarouges proches et moyens, de la chaleur et de la lumière, les émetteurs infrarouges lointains utilisent des plaques céramiques de faible watt qui restent froides tout en émettant des infrarouges lointains. [5]
La relation entre la température et la longueur d'onde maximale est exprimée par la loi de déplacement de Wien .
Elément de fil métallique [ Modifier ]
Les éléments chauffants en fil métallique sont apparus pour la première fois dans les années 1920. Ces éléments sont constitués de fil de chromel. Chromel est fabriqué à partir de nickel et de chrome et il est également connu sous le nom de nichrome . Ce fil a ensuite été enroulé en spirale et enroulé autour d'un corps en céramique. Lorsqu'il est chauffé à des températures élevées, il forme une couche protectrice d'oxyde de chrome qui protège le fil de la combustion et de la corrosion, ce qui provoque également un éclat de l'élément. [6]
Heat Lamps [ Modifier ]
Une lampe chauffante est une ampoule à incandescence utilisée dans le but principal de créer de la chaleur. Le spectre du rayonnement du corps noir émis par la lampe est décalé pour produire plus de lumière infrarouge . De nombreuses lampes chauffantes comprennent un filtre rouge pour minimiser la quantité de lumière visible émise. Les lampes chauffantes comprennent souvent un réflecteur interne.
Les lampes à chaleur sont couramment utilisées dans les douches et les salles de bains pour réchauffer les baigneurs et dans les zones de préparation des repas des restaurants pour garder les aliments au chaud avant de les servir. Ils sont également couramment utilisés pour l'élevage . Les lampes utilisées pour la volaille sont souvent appelées lampes de couvaison. Mis à part les jeunes oiseaux , d'autres types d' animaux qui peuvent bénéficier de lampes chauffantes comprennent les reptiles , les amphibiens , les insectes , les arachnides et les jeunes de certains mammifères .
Les douilles utilisées pour les lampes chauffantes sont généralement en céramique car les douilles en plastique peuvent fondre ou brûler lorsqu'elles sont exposées à la grande quantité de chaleur perdue produite par les lampes, en particulier lorsqu'elles sont utilisées dans la position "de base". Le linceul ou le capot de la lampe est généralement en métal. Il peut y avoir une protection de fil sur l'avant du hauban, pour éviter de toucher la surface chaude de l'ampoule.
Les ampoules incandescentes blanches ménagères ordinaires peuvent également être utilisées comme lampes chauffantes , mais les ampoules rouges et bleues sont vendues pour être utilisées dans les lampes à couvain et les lampes à reptiles. Les lampes chauffantes de 250 watts sont couramment emballées dans le facteur de forme «R40» (lampe à réflecteur de 5 pouces) avec une base de vis intermédiaire.
Les lampes chauffantes peuvent être utilisées comme traitement médical pour fournir de la chaleur sèche lorsque d'autres traitements sont inefficaces ou peu pratiques. [7]
Systèmes de chaleur infrarouge en céramique [ Modifier ]
Les éléments de chauffage infrarouges en céramique sont utilisés dans une gamme variée de processus industriels nécessitant un rayonnement infrarouge à ondes longues. Leur gamme de longueur d'onde utile est de 2-10 μm. Ils sont souvent utilisés dans le domaine de la santé des animaux / animaux de compagnie aussi. Les radiateurs infrarouges en céramique (émetteurs) sont fabriqués avec trois faces d'émetteur de base: creux (concave), plat et ampoule ou vis Edison pour une installation normale via un porte-lampe en céramique E27.
Infrarouge lointain [ Modifier ]
Cette technologie de chauffage est utilisée dans certains saunas infrarouges coûteux. On le trouve également dans les appareils de chauffage. Ces appareils de chauffage utilisent des émetteurs céramiques à faible densité de puissance (généralement des panneaux assez grands) qui émettent un rayonnement infrarouge à ondes longues. Comme les éléments chauffants sont à une température relativement basse, les radiateurs infrarouges lointains ne dégagent ni ne dégagent d'odeur, de poussière, de saleté, de formaldéhyde, de vapeurs toxiques de peinture, etc. Cela a rendu ce type de chauffage très populaire parmi les personnes allergies sévères et sensibilité chimique multiple en Europe. Parce que la technologie infrarouge lointain ne chauffe pas directement l'air de la pièce, il est important de maximiser l'exposition des surfaces disponibles qui réémettent ensuite la chaleur pour fournir une chaleur ambiante uniforme.
Lampes chauffantes au quartz [ Modifier ]
Élément de quartz clair
Les lampes halogènes sont des lampes à incandescence remplies de gaz halogène hautement pressurisé. Ce gaz est combiné avec une petite quantité de brome ou d' iode qui provoque la régénération des atomes de tungstène en diminuant l'évaporation du filament. Cela conduit à une durée de vie beaucoup plus longue des lampes halogènes que les lampes à incandescence. En raison de la haute pression et la température des lampes halogènes produisent, ils sont relativement petits et fabriqués en verre de quartz, car il a un point de fusion plus chaud que le verre standard. Les utilisations courantes des lampes halogènes sont les appareils de chauffage de table. [8] [9]
Les éléments chauffants infrarouges à quartz émettent de l'énergie infrarouge à ondes moyennes et sont particulièrement efficaces dans les systèmes où une réponse rapide du réchauffeur est requise. Les lampes infrarouges tubulaires dans les ampoules de quartz produisent un rayonnement infrarouge dans des longueurs d'onde de 1,5 à 8 μm. Le filament enfermé fonctionne à environ 2 500 K , produisant un rayonnement de plus courte longueur d'onde que les sources à bobine ouverte. Développées dans les années 1950 chez General Electric , ces lampes produisent environ 100 W / po ( 4 W / mm ) et peuvent être combinées pour rayonner 500 watts par pied carré ( 5400 W / m 2 ). Pour atteindre des densités de puissance encore plus élevées, des lampes halogènes ont été utilisées. Les lampes infrarouges à quartz sont utilisées dans les réflecteurs hautement polis pour diriger le rayonnement dans un modèle uniforme et concentré.
Les lampes chauffantes à quartz sont utilisées dans la transformation des aliments, le traitement chimique, le séchage des peintures et le dégel des matériaux congelés. Ils peuvent également être utilisés pour le chauffage de confort dans les zones froides, dans les incubateurs et dans d'autres applications pour le chauffage, le séchage et la cuisson. Au cours du développement des véhicules de rentrée dans l'espace, des bancs de lampes infrarouges à quartz ont été utilisés pour tester les matériaux de bouclier thermique à des densités de puissance pouvant atteindre 300 kW / m2 (28 kilowatts / pied carré). [dix]
Les conceptions les plus courantes consistent en un tube en verre de quartz satiné blanc laiteux ou en quartz transparent avec un élément résistant à l'électricité, généralement un fil de tungstène , ou une mince bobine d'alliage fer-chrome-aluminium. [11] L'air atmosphérique est retiré et rempli de gaz inertes tels que l' azote et l' argon puis scellés. Dans les lampes halogènes à quartz, une petite quantité de gaz halogène est ajoutée pour prolonger la durée de vie du chauffage.
Une grande partie de l'énergie infrarouge et visible libérée est causée par le chauffage direct du quartz , 97% du proche infrarouge est absorbé par le tube de quartz en silice, ce qui provoque une augmentation de la température de la paroi du tube. rayonner les rayons infrarouges lointains. [la citation nécessaire ] Les éléments chauffants de verre de quartz ont été conçus à l'origine pour des applications d'éclairage, mais quand une lampe est à pleine puissance moins de 5% de l'énergie émise est dans le spectre visible. [12]
Quartz tungstène [ Modifier ]
Réchauffeur de quartz
Les radiateurs infrarouges en tungstène à quartz émettent une énergie de vague moyenne atteignant des températures de fonctionnement allant jusqu'à 1500 ° C (onde moyenne) et 2600 ° C (onde courte). Ils atteignent la température de fonctionnement en quelques secondes. Emissions de longueur d'onde maximale d'environ 1,6 μm (infrarouge à ondes moyennes) et 1 μm (infrarouge à ondes courtes).
Chauffage au charbon [ Modifier ]
Radiateur en fibre de carbone
Les appareils de chauffage au carbone utilisent un élément chauffant en fibre de carbone capable de produire de la chaleur infrarouge lointaine à ondes longues, moyennes et courtes. Ils doivent être spécifiés avec précision pour les espaces à chauffer. [13]
Gaz-feu [ Modifier ]
Il existe deux types de base de radiateurs à rayonnement infrarouge.
Lumineux ou haute intensité
Radiateurs à tubes radiants
Les appareils de chauffage au gaz à tube radiant utilisés pour le chauffage des locaux industriels et commerciaux brûlent du gaz naturel ou du propane pour chauffer un tube émetteur en acier. Le gaz passant à travers une soupape de commande s'écoule à travers un brûleur à coupelle ou un venturi . Les gaz du produit de combustion chauffent le tube émetteur. Au fur et à mesure que le tube chauffe, l'énergie rayonnante du tube heurte les planchers et autres objets de la zone, les réchauffant. Cette forme de chauffage maintient la chaleur même quand un grand volume d'air froid est soudainement introduit, comme dans les garages d' entretien. Ils ne peuvent cependant pas combattre un courant d'air froid.
L'efficacité d'un réchauffeur infrarouge est une estimation de l'énergie totale consommée par le réchauffeur par rapport à la quantité d'énergie infrarouge générée. Alors qu'il y aura toujours une certaine quantité de chaleur convective générée par le processus, toute introduction de mouvement d'air à travers le réchauffeur réduira son efficacité de conversion infrarouge. Avec de nouveaux réflecteurs non ternis, les tubes radiants ont une efficacité radiante vers le bas d'environ 60%. [Les 40% restants comprennent les pertes ascendantes et convectives irrécupérables, et les pertes dues à la combustion.]
Effets sur la santé [ Modifier ]
En plus des dangers de toucher l'ampoule ou l'élément chaud, les rayons infrarouges à ondes courtes de haute intensité peuvent causer des brûlures thermiques indirectes lorsque la peau est exposée trop longtemps ou que le radiateur est placé trop près du sujet. Les individus exposés à de grandes quantités de rayonnement infrarouge (comme les souffleurs de verre et les soudeurs à l'arc) sur une période de temps prolongée peuvent développer une dépigmentation de l' iris et de l'opacité de l' humeur aqueuse , donc l'exposition doit être modérée. [14]
Efficacité [ Modifier ]
Les radiateurs infrarouges chauffés électriquement rayonnent jusqu'à 86% de leur apport en énergie rayonnante. [15] Presque toute l'énergie électrique est convertie en chaleur radiante infrarouge dans le filament et dirigée sur le produit [ clarification nécessaire ] par des réflecteurs. Une partie de l'énergie calorifique est évacuée de l'élément chauffant par conduction ou convection , ce qui peut ne pas entraîner de perte pour certaines conceptions où toute l'énergie électrique est souhaitée dans l'espace chauffé, ou peut être considérée comme une perte dans des situations où seulement le transfert de chaleur est souhaité ou productif.
Pour des applications pratiques, l'efficacité du chauffage infrarouge dépend de l'adaptation de la longueur d'onde émise et du spectre d'absorption du matériau à chauffer. Par exemple, le spectre d'absorption de l' eau a son pic à environ 3000 nm . Cela signifie que l'émission de radiateurs infrarouges à moyenne ou à infrarouge est beaucoup mieux absorbée par les revêtements à base d'eau et d'eau que les rayonnements infrarouges ou les ondes infrarouges à ondes courtes. La même chose est vraie pour de nombreux plastiques comme le PVC ou le polyéthylène. Leur pic d'absorption est d'environ 3500 nm . D'autre part, certains métaux n'absorbent que dans la gamme des ondes courtes et montrent une forte réflectivité dans le moyen et l'infrarouge lointain. Cela fait une sélection minutieuse du type de chauffage infrarouge droit important pour l'efficacité énergétique dans le processus de chauffage. [la citation nécessaire ]
Les éléments en céramique fonctionnent à une température de 300 à 700 ° C (570 à 1 290 ° F) produisant des longueurs d'onde infrarouges comprises entre 2 000 et 10 000 nm . La plupart des plastiques et de nombreux autres matériaux absorbent mieux les rayons infrarouges dans cette plage, ce qui rend le radiateur céramique le plus adapté à cette tâche. [la citation nécessaire ]
Applications [ Modifier ]
Réchauffeur infrarouge pour la cuisson döner kebab
Les radiateurs IR peuvent répondre à diverses exigences de chauffage, notamment:
Températures extrêmement élevées, limitées en grande partie par la température maximale de l'émetteur
Temps de réponse rapide, de l'ordre de 1-2 secondes
Gradients de température, en particulier sur les bandes de matériau avec un apport de chaleur élevé
Surface chauffée focalisée par rapport aux méthodes de chauffage par conduction et par convection
Sans contact, ne perturbant ainsi pas le produit en tant que méthode de chauffage par conduction ou par convection
Ainsi, les radiateurs IR sont utilisés à plusieurs fins, notamment:
Systèmes de chauffage
Durcissement des revêtements
Chauffage en plastique avant la formation
Soudage plastique
Traitement thermique du verre et des métaux
Cuisine
Réchauffer les animaux qui tètent ou les animaux captifs dans les zoos ou les cliniques vétérinaires
Cours de fitness à chaud pour atténuer les problèmes respiratoires posés par le chauffage par convection [16]
