L'énergie de vos développements

Le rayonnement infrarouge, dont la longueur d’onde est comprise entre 0,76 et 10 µm (IR court de 0,76 à 2 µm, IR moyen de 2 à 4 µm, IR long de 4 à 10 µm) possède des applications diverses (séchage, chauffage, ...) et touche presque tous les secteurs industriels (mécanique, textile, bois, plastique, verre …). La qualité des performances généralement obtenues, place ces rayonnements comme une alternative intéressante aux procédés traditionnels (air chaud, …). 

Le rayonnement IR

Figure 1 : spectre infrarouge

Le rayonnement infrarouge est une onde électromagnétique de même nature que la lumière. Il peut être guidé, focalisé, réfléchi. Lorsqu’il atteint une surface, le flux infrarouge est en partie absorbé, en partie réfléchi et en partie transmis (Figure 1) et ceci en fonction des caractéristiques du produit recevant le rayonnement. La plupart des matériaux sont peu transparents au rayonnement infrarouge, c’est le cas de la quasi-totalité des produits que l’on souhaite chauffer dans l’industrie.

spectre infrarouge


Figure 2 : Incidence d rayonnement infrarouge sur un produit

L’absorption d’une radiation par un corps à chauffer se fait progressivement sur une certaine profondeur en suivant une exponentielle décroissante par rapport à la surface (loi de Bouguer). La profondeur de pénétration dépend en particulier de la longueur d’onde du rayonnement et augmente lorsque cette longueur d’onde diminue. Le rayonnement infrarouge court est donc plus pénétrant que le rayonnement moyen, lui même plus pénétrant que le rayonnement long. 

De façon simplifiée, on peut décrire les échanges thermiques par infrarouge grâce à la relation (A) qui peut être rapprochée de la formule régissant les échanges par convection (B) :

Φ = kS(Ts4-Tp4)      (A)    

Φ = hS(Ts-Tp)     (B) 

k = coefficient équivalent d’échange par rayonnement, h = coefficient d’échange par convection, S = surface d’échange, Ts = température de la source (K), Tp : température du produit (K) 

 

Les densités de puissance transférables par infrarouge sont donc beaucoup plus élevées qu’en convection (figure 3). D’un point de vue pratique, le traitement des échanges thermiques dans les applications industrielles des infrarouges fait appel à trois niveaux de connaissance :

  • les caractéristiques des émetteurs qui permettent, avec différents outils, de déterminer le flux infrarouge émis, 
  • les valeurs d’éclairement reçues sur le produit à traiter,
  • les caractéristiques optiques et physiques du produit qui vont permettre de déterminer l’impact sur celui-ci de l’éclairement (séchage…).

 

L’accès à ces niveaux de connaissance est facilité par l’utilisation d’une démarche couplant expérimentation et modélisation.

Incidence d rayonnement infrarouge sur un produit

 

Figure 3 : densité de puissance transmise par un émetteur infrarouge comparée à celle fournie par l'air en fonction de la température

On trouve industriellement des émetteurs infrarouges dans les trois bandes spectrales définies précédemment (court, moyen et long). Ils différent par leur niveau de température et de puissance ainsi que par leurs technologies de réalisation.

Les sources d’infrarouge court fonctionnent à une température supérieure à 1200°C, celle d’infrarouge moyen entre 450 et 1200°C, celles d’infrarouge long à une température inférieure à 450°C. A ces deux températures calculées à partir de la loi de Wien, correspondent les bornes 2 et 4 μm des bandes du spectre infrarouge.

Pour que l’énergie rayonnée se situe essentiellement dans la bande de longueurs d’onde souhaitée, il faut remarquer qu’il est nécessaire :

  • que les sources d’infrarouge court ou moyen soient respectivement à des températures d’émission nettement plus élevées que 1200 et 450°C ;
  • que les émetteurs d’infrarouge long fonctionnent à des températures voisines de 450°C.

Les sources émettent selon des spectres semblables à ceux du corps noir, et pour des sources réelles de même puissance et de températures d’émission distinctes, la répartition spectrale d’énergie est représentée sur la figure 4.

densité de puissance transmise par un émetteur infrarouge

 

Figure 4 : Répartition spectrale d’énergie de différentes sources de même puissance

Trois cas peuvent se présenter lorsqu'on irradie une molécule par un émetteur infrarouge : 

  • Le rayonnement émis est formé d'ondes de longueurs inférieures à celles correspondant à l'absorption (ou à l'émission) de la substance irradiée. Celle-ci ne peut pas les prendre en compte, elles lui sont indifférentes, et elles traversent sans réaction si elles ont l'énergie suffisante.
  • La longueur d’onde du rayonnement correspond à celles de vibration-rotation du récepteur. L'énergie de ces ondes va être prise en compte par les liaisons dont elle va augmenter l'énergie de vibration-rotation, les "exciter", et cette énergie se dissipera sous forme de chaleur au niveau de chaque molécule, donc au sein même de la substance. Autre conséquence, les molécules "excitées" seront plus réactives et cela se traduira par une plus grande facilité de polymérisation et/ou de réticulation.
  • Le rayonnement émis a des ondes dont les longueurs sont supérieures à celles correspondant à l'absorption (émission) du récepteur. Là encore, elles ne pourront être prises en compte par les molécules et, comme elles seront en général de faibles énergies, elles seront réfléchies, sans autre effet.

 

D'une manière générale, le rayonnement émis est polychromatique, c'est-à-dire formé d'ondes de diverses longueurs, certaines plus longues d'autres plus courtes que celles absorbables. Seules ces dernières seront efficaces.

 

La détermination de l’équipement infrarouge le mieux adapté résulte toujours de la recherche d’un compromis. Il faut, en effet, tenir compte :

  • du produit, de sa nature et de ses composants, des caractéristiques géométriques (forme épaisseur, dimensions) et de leur diversité, des caractéristiques photométriques (spectre d’absorption, teinte), des contraintes diverses (fragilité thermique et mécanique), …
  • de la nature du traitement : chauffage, séchage, …, niveau de température souhaité et précision nécessaire, vitesse de montée en température acceptable, gradient de température toléré (homogénéité), temps de maintien en température, …
  • des contraintes sur l’opération (mode de présentation du produit en statique ou en défilement, convoyage, cadence, …) ou sur l’environnement (sécurité, place disponible).
  • de critères économiques : temps de traitement (cadence, volume traité), énergie utilisée …