Volume 28, number 1, juin 2014

L’infrarouge pour le chauffage des procédés industriels

Plusieurs procédés industriels profitent de l’utilisation du chauffage infrarouge pour de multiples applications, dont le séchage de produits de finition et de couches de protection sur les métaux, le séchage de papier, d’enduits, d’encres, de tissus aussi bien que la cuisson d’aliments ou le formage des plastiques et des acryliques.

L’infrarouge : de l’énergie à la puissance 4

L’infrarouge consiste en une énergie radiante, non absorbée par l’air, qui se convertit en chaleur lorsqu’elle frappe un objet opaque. L’absorption de l’infrarouge permet l’évaporation rapide de l’eau et des solvants. L’énergie radiante offre aussi la possibilité de modifier chimiquement la matière par l’effet de polymérisation tel que requis pour les peintures en poudre.

La propriété la plus importante de l’infrarouge se présente lors de l’élévation de la température de la source : l’énergie radiante se calcule en fonction de la température de chauffe à la puissance quatre. En convection et en conduction, l’énergie transmise est directement proportionnelle à la température.

Tour d’horizon des différentes catégories d’infrarouges à gaz naturel

Plusieurs manufacturiers offrent des émetteurs infrarouges pour les applications de chauffage de procédés industriels. Nous les avons regroupés en quatre catégories :

  • À matrice en fibre métallique
  • À matrice en fibre céramique
  • Brûleur à flamme vive
  • Catalytique

Pour les émetteurs à matrice en fibre métallique et céramique, un prémélange de gaz naturel et d’air relâché au travers la fibre brûle en surface. La fibre chauffée émet l’énergie radiante au produit à traiter. Le brûleur à flamme vive émet une flamme dirigée sur des plaques céramiques orientées vers les produits à traiter. La température de ces émetteurs est typiquement de l’ordre de 650 °C à 1 100 °C.

Pour les émetteurs catalytiques, le gaz naturel est admis à l’arrière de l’unité et passe au travers d’un tampon enduit d’un catalyseur. Sur le devant, en présence de l’oxygène en contact avec le tampon, une réaction d’oxydoréduction s’ensuit et génère de la radiation. La température de surface de l’émetteur est plus basse que la température d’auto-ignition du gaz naturel, de sorte qu’il n’y a aucune présence de flamme. La température de surface de l’émetteur opère dans une gamme variant de 230 °C à 480 °C.

Le transfert de chaleur : émissivité du matériau et absorption de la radiation

Lorsque la radiation est émise, l’objet à chauffer pourra en partie l’absorber, la réfléchir ou la transmettre, car la radiation peut aussi passer au travers certaines matières telles que l’eau et les solvants (voir figure 1). L’énergie absorbée se transfère ensuite par conduction à toute la pièce à chauffer.

Figure 1

Pour plusieurs applications, il est important d’apparier le spectre d’émission de la radiation au spectre d’absorption du matériau à chauffer afin d’optimiser l’efficacité énergétique. Il faut alors regarder la fiche d’émissivité du matériau à chauffer. Cela donne une mesure relative à la possibilité d’absorber l’énergie radiante. Plus l’émissivité d’un matériau est élevée, plus grand il pourra absorber la radiation. Le tableau suivant indique l’émissivité de quelques matériaux.

Matériaux

Émissivité

Eau

0,96

Verre

0,94

PVC

0,92

Caoutchouc

0,86 – 0,95

Bois

0,9

Acier inoxydable poli

0,85

Acier galvanisé

0,80

Acier et fonte

0,70 – 0,75

Laiton et cuivre

0,60

La couleur et le fini (mat, satin, brillant) influencent aussi l’absorption de la radiation. Considérant la grande variété des matériaux, des enduits, des couleurs et des finis à traiter, il sera recommandé de tester différents appareils afin de sélectionner le type d’émetteur qui procurera les meilleures caractéristiques d’absorption de la radiation.

Les avantages de la radiation

Bien que le chauffage par convection à gaz naturel soit toujours aussi populaire pour les fours de procédés industriels, le chauffage infrarouge offre indéniablement plusieurs avantages :

  • Plus grand taux de transfert de chaleur
  • Plus grande efficacité thermique
  • Réponse en chauffage plus rapide
  • Meilleur contrôle de température
  • Contrôle par zonage facilité
  • Moins de dégagement de température dans les zones de travail avoisinantes
  • Dépense en capital et coût d’installation moins élevés
  • Économie de surface de plancher
  • Coût d’entretien plus bas

Le chauffage par infrarouge des procédés est souvent plus efficace que par convection, car un pourcentage plus élevé de l’intrant d’énergie se transfère au produit à chauffer plutôt qu’à l’enceinte du four et des autres pertes telles que les ouvertures d’entrée et de sortie des pièces.

En plus, les fours à infrarouge ne requièrent pas, en préproduction, une longue montée en température.

La radiation permet un taux de transfert de chaleur plus grand que la convection, ce qui amène donc une réduction de temps d’exposition. Si l’objectif est de sécher ou cuire un enduit de surface, la réduction du temps d’exposition évite de chauffer inutilement la masse de la pièce à traiter. Le haut taux de transfert de chaleur par radiation atteint la température requise plus rapidement.

Pour le séchage des peintures, la radiation permet le transfert de chaleur de la pièce vers l’extérieur, ce qui évite la formation d’une peau de surface et de bulles créées par les solvants qui s’évaporent, phénomène rencontré dans les fours à convection.

Les contrôles de l’infrarouge

Pour les émetteurs infrarouges à prémélange, l’admission d’air est contrôlée par une valve papillon modulante en fonction de la température requise. Ensuite, le gaz naturel est admis proportionnellement par aspiration dans un système de combustion de type « zero-governor » pour maintenir le bon mélange de combustible et d’air sur la plage de modulation de l’émetteur (voir figure 2).

Figure 2

Pour les émetteurs catalytiques, il est aussi possible de moduler l’admission du gaz naturel afin d’obtenir l’intensité d’émission requise par le procédé.

Puisqu’un séchoir ou four infrarouge est doté de plusieurs émetteurs, il s’avère facile de zoner le four en plusieurs sections, ce qui donne un avantage sur la convection. Typiquement, les pièces admises dans la première section d’un four peuvent être soumises à une forte intensité de radiation. Ensuite, à mesure que les pièces avancent dans le four, l’intensité de la radiation et de la température peut être réduite, permettant ainsi d’améliorer la qualité des produits à traiter. Le zonage peut aussi être effectué de haut en bas en fonction de la géométrie des pièces. En général, plusieurs zones permettent de profiler la température pour le procédé et réduire les consommations énergétiques (voir figure 3 pour des agencements possibles).

Figure 3

Cas succès de l’infrarouge en chauffage de procédés industriels

Une multitude de cas profitent des avantages de l’infrarouge pour les procédés industriels tels que la cuisson de peintures en poudre sur des caissons métalliques ou des portes de cabinet en MDF et le séchage de peinture liquide sur des poteaux métalliques, entre autres. Les émetteurs d’infrarouge catalytique offrent aussi des avantages tant pour le séchage de peinture à base d’eau ou de solvants requis pour des entreprises de mobiliers de bureau. Les émetteurs à fibre métallique permettent de configurer des brûleurs de tailles et de formes variées utilisés dans plusieurs sphères d’activité tels que la cuisson ou le grillage d’aliments et le formage de produits de plastique. Ainsi, plusieurs procédés actuels ou futurs peuvent bénéficier des avantages de la radiation pour les traitements thermiques.

Exemple de différentes formes d'unités infrarouge en fibre métallique

Guy Desrosiers, ing., CEM, CMVP
Groupe DATECH