Bases pratiques du chauffage de l’air

1. Eléments tubulaires blindés, tables techniques

Les courbes ci-dessous ont été obtenues par des essais réalisés dans notre laboratoire. Les courbes ont été lissées informatiquement, et sont données uniquement à titre informatif. Elles ne sont représentatives que pour les puissances indiquées.

 

Type 3AY

Durée de vie typique des éléments chauffants blindés en acier inoxydable ou réfractaire isolés avec de la magnésie
Température de surface Durée (années) Durée (heures) Température de surface Durée (années) Durée (heures)
°C °F °C °F
700 1300 23 200.000 980 1800 0.15 1200
760 1400 9 80.000 1040 1900 0.01 360
815 1500 3.5 30.000 1095 2000 180
870 1600 1 8700 1150 2100 48
925 1700 0.3 3000

Pour un élément blindé de fabrication standard, la température de surface de 870°C est la température maximale pour une utilisation où une durée de vie égale ou inférieure à un  an est suffisante pour l’application. Ces valeurs sont estimatives, et données pour des éléments chauffants utilisant du fil en Nickel Chrome 80/20 dont la section est optimisée, et qui sont isolés par de la magnésie pure de bonne qualité, non contaminée. La détérioration progressive des fils chauffants à des températures nettement inférieures à leur point de fusion est due aux réactions chimiques qui se produisent à haute température entre l’oxyde de fer (qui est un contaminant de la magnésie), et le fil lui-même.

Note: Lorsque les éléments blindés sont utilisés en chauffage rayonnant dans l’infra-rouge moyen, cette température de 870°C est en général dépassée si la charge surfacique est égale ou supérieure à 10W/cm². (60W/in²), ce qui explique la faible durée de vie des éléments blindés dans ces applications

 

Température moyennes de surface et d’air des réchauffeurs d’air de ce catalogue
Les cycles de température de certaines courbes sont dus au déclenchement des systèmes de contrôle de température incorporés

Les courbes ci-dessous ont été obtenues par des essais réalisés dans notre laboratoire. Les courbes ont été lissées informatiquement, et sont données uniquement à titre informatif. Elles ne sont représentatives que pour les puissances indiquées.

9SR, P7 9SX, P8 9NN, P10, 400W 9NF, P11, 4000W 9SQ, P12, 500W
Température de surface d’un élément chauffant lisse en acier inoxydable, diamètre 10 mm, en fonction de la charge surfacique, dans l’air calme non ventilé et dans l’air ventilé (ambiance= 20°C) Température de surface d’un élément chauffant à ailettes de 25 x 50 mm, en acier inoxydable, en fonction de la charge surfacique, dans l’air calme non ventilé et dans l’air ventilé (ambiance= 20°C) Température de surface d’une batterie terminale compacte et température mesurée à 50 mm de sa grille de sortie, avec une vitesse d’air de 2m/s. Température de surface des ailettes
d’une batterie terminale de moyenne puissance et température mesurée à 50 mm des ailettes, avec une vitesse d’air de 2m/s.
Température de surface d’un sous ensemble de rénovation à éléments
blindés et température mesurée à
50 mm au-dessus, en convection
naturelle.
9SY, P13, 1050W 9PF, P14, 100W 9CG1, P15, 3000W 9CG3, P16, 4000W 9CH,P17, 3000W
Température de surface d’un sous- ensemble de rénovation à éléments à ailettes et température mesurée à
50 mm au-dessus des ailettes, en
convection naturelle
Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur d’armoire et température mesurée à 50 mm de celle-ci avec une vitesse d’air de 2m/s Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot et température mesurée à 50 mm au-dessus, en convection naturelle. Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot et température mesurée à 50 mm au-dessus, en convection naturelle. Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot ventilé régulation par thermostat, et température mesurée à 50 mm au-dessus, avec vitesse d’air de 1m/s.
9CL, P18, 1500W 9CJ, P20 9CK, P21, 4000W 9CR, P22 9CS, P23, 4000W
Température de surface de la grille de sortie inférieure d’un réchauffeur à ailettes, sous capot ventilé, soufflant vers le bas, régulation par thermostat, et température mesurée à 50 mm au-dessous, avec vitesse d’air de 1m/s. Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot ventilé, régulation par
thermostat, et température mesurée à 50 mm au-dessus, avec vitesse d’air de 2m/s.
Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot ventilé, régulation par régulateur électronique, et température mesurée à 50 mm au-dessus, avec vitesse d’air de 2m/s. Température de surface de la grille de sortie inférieure d’un réchauffeur à ailettes sous capot ventilé, soufflant vers le bas, régulation par thermostat, et température mesurée à 50 mm au-dessus, avec vitesse d’air de 2m/s. Température de surface de la grille de sortie d’un réchauffeur à ailettes sous capot ventilé, soufflant vers le bas, régulation électronique, et température mesurée à 50 mm au-dessus, avec vitesse d’air de 2m/s.

 

Puissance indicative nécessaire pour les réchauffeurs d’armoire (Armoires métalliques non isolées)

Puissance en fonction de la surface extérieure (ft²) de l’armoire et de l’écart de température intérieur/extérieur souhaité. Armoires plastique : diviser la puissance par 2. Utilisation en extérieur en plein vent: ajouter 50%.
Puissance en fonction de la surface extérieure (m²) de l’armoire et de l’écart de température intérieur/extérieur souhaité. Armoires plastique : diviser la puissance par 2. Utilisation en extérieur en plein vent: ajouter 50%.

 

 

2. Données techniques sur les éléments chauffants infrarouges

2.1 Longueurs d’onde du rayonnement infrarouge

 

Température de surface de l’émetteur et longueur
d’onde correspondante dans l’infrarouge
Temps de réponse de différents émetteurs d’infrarouge long (température de stabilisation 440°C) comparés à un émetteur dans l’infrarouge moyen (température de stabilisation 700°C)

 

Il existe plusieurs définitions de l’infrarouge et de sa division en long, moyen et court, et souvent la confusion est faite entre ces différentes définitions.
-La première est celle de l’astronomie, selon la norme ISO 20473 qui définit le rayonnement infrarouge depuis le bord rouge du spectre visible à 0.780 micromètres (μm) jusqu’à 1000 μm.
-La seconde est celle de la CIE qui recommande dans le domaine de la photobiologie et de la photochimie le découpage du domaine infra-rouge en trois zones : IR-A: de 0,7 μm à 1,4 μm; IR-B: de 1,4 μm à 3 μm; IR-C: de 3 μm à 1000 μm .
– La troisième, utilisée dans le domaine du chauffage infrarouge, définit les longueurs d’ondes comme suit:

  • Infrarouge long de 370 à 600°C, correspondant à une longueur d’onde de 4.5 à 3.30μm
    Il existe cependant des émetteurs infrarouges dits « à basse température » destinés au chauffage de locaux (plafonds chauffants, murs chauffants pour saunas, convecteurs dits « radiants »), qui fonctionnent à des températures de surface plus basses de l’ordre de 70 à 80°C c’est-à-dire dans les longueurs d’ondes de 8.2 à 7.8 μm
  • Infrarouge moyen, de 600 à 900°C correspondant à une longueur d’onde de 3.3 à 2.45μm
  • Infrarouge court, de 900 à 2000°C, correspondant à une longueur d’onde de 2.45 à 1.27μm

Émetteurs d’infrarouge long.
Émetteurs céramique constitués d’un fil chauffant encapsulé dans de la céramique. La température de surface de ces céramiques peut aller de 350°C à 650°C. En raison de leur conception et de la faible conductibilité thermique de la céramique utilisée, des écarts de température jusqu’à 200°C sur la surface émissive, entre creux bosses, centre et bords sont possibles. Il en résulte un rayonnement infra-rouge répartie sur en grande gamme de longueur d’ondes. En outre, un fort pourcentage du rayonnement, émis sur la face arrière de ces émetteurs, ne sert qu’à chauffer leur support.
Les céramiques utilisées ayant un faible pouvoir émissif dans l’infrarouge long, une partie supplémentaire de l’énergie est dissipée dans des longueurs d’ondes différentes. Afin d’améliorer leur émissivité, certain de ces appareils utilisent maintenant des céramiques recouvertes d’un émail noir. Le temps pour atteindre 90% de leur température de régime, mesuré depuis 25°C est de l’ordre de 5 minutes 40 s.)
Émetteurs à tube en carbure de silicium fritté: ils atteignent une émissivité proche de 100% dans la zone de 3 à 4 microns, c’est-à-dire pour des températures de surface de 450 à 690°C (840 à 1280°F) Le temps pour atteindre 90% de la température de régime, mesuré depuis 25°C est de l’ordre de 3 minutes 30 s.

Eléments blindés tubulaires: habituellement constitués d’un tube en inconel ayant reçu un traitement de surface d’oxydation pour lui donner une meilleure émissivité en infrarouge. La surface de la résistance en fonctionnement donne un rayonnement visible rouge sombre. La température de surface de ces éléments peut aller de 450 à 600°C. Le temps pour atteindre 90% de la température de régime, mesuré depuis 25°C est de l’ordre de 5 minutes 30s sur un tube chauffant de 10 mm de diamètre, équivalent à peu de chose près à un émetteur radiant céramique.

Émetteurs d’infrarouge moyen
Ils existent sous deux formes principales:
Eléments sous tube quartz, bobinés en nickel chrome, en carbone, en Fer-Nickel-Chrome ou en tungstène. Ces tubes sont dépolis, ouverts et en contact avec l’air atmosphérique. Ces éléments ont une température de surface de 700 °C à 1000°C;
Ils sont particulièrement économiques, mais fragiles, avec une durée de vie limitée de l’ordre de 5.000 heures car le fil chauffant atteint des températures élevées dans l’air et s’y oxyde rapidement.
Le temps pour atteindre 90% de la température de régime, mesuré depuis 25°C est de l’ordre de 1 minute 20 s.

Eléments blindés tubulaires, similaires à ceux utilisés dans l’infrarouge long. La forte charge surfacique donne un rayonnement visible de couleur rouge clair. La température de surface de ces éléments est de l’ordre de 700°C à 800°C.
Le temps pour atteindre 90% de la température de régime, mesuré depuis 25°C est de l’ordre de 2 minutes 40s).

Émetteur d’infrarouge court
Cette source de rayonnement est constituée d’un filament incandescent de tungstène ou de Fer-Chrome-Aluminium dans un tube en quartz rempli d’azote ou d’argon et éventuellement, selon les modèles, un petit pourcentage de gaz halogène. Ce filament est porté à une température moyenne de 1800°C. (Certains jusqu’à 2500°C). Développés à l’origine pour des applications en éclairage, ils émettent partiellement dans l’infrarouge long car une partie des longueurs d’ondes émises dans le spectre visible et dans l’infrarouge court est absorbée par le quartz et converti en infrarouge long par la liaison chimique silice-oxygène.
Leur inertie est très faible (quelques secondes). Ces tubes doivent être ventilés.

2.2 Différents types d’émetteurs infrarouges

Les matériaux sont sélectifs quant à la longueur d’onde qu’ils absorbent dans l’infrarouge. La plupart des matériaux montrent un pic d’absorption entre 3 et 4 microns (μm).
La longueur d’onde produite par la source de chaleur est fonction de la température de la source. Il est donc possible d’ajuster la température de la source et donc la longueur d’onde pour qu’elle corresponde au pic d’absorption de la matière à réchauffer.
La formule donnant la température de surface en fonction de la longueur d’onde (μ) est la suivante:
°C = (2897/μ)-273 ou °F = (5215/μ)-459
Par exemple, si le produit à réchauffer a un pic d’absorption à 3.5μ, la température de surface de l’élément chauffant doit être:
(2897/3.5)-373 = 555°C, ou (5215/3.5)-459 = 1031°F.
Cette règle s’applique quelle que soit la construction de la source de chaleur.
Ainsi, les ampoules à filament ayant une température très élevée, elles rayonneront dans le proche infrarouge, des éléments blindés en Incolloy dont les températures sont de 600 à 700°C vont rayonner dans l’infrarouge moyen, et des émetteurs en céramique avec une température de surface de 400 à 500°C vont rayonner dans l’infrarouge long.
Ce qui va faire la différence dans le rendement final est le pourcentage d’énergie fournie à la source de chauffage qui sera convertie dans la longueur d’onde requise.
Cela signifie également qu’il est possible de régler la longueur d’onde de pic d’une source de rayonnement en contrôlant sa température de surface, par exemple par réglage de la tension ou la commande de la puissance, et surtout en utilisant pour l’élément chauffant des matériaux ayant la plus grande émissivité dans la longueur d’onde voulue. Les tubes en carbure de silicium frittés atteignent une émissivité proche de 100% (similaire à un corps noir) dans la zone de 3 à 4 microns, c’est-à-dire pour des températures de surface de 450 à 690°C (840 à 1280°F)..

2.3 Comportement thermique des radiants infrarouges en carbure de silicium

Température de surface d’un radiant infrarouge en carbure de
silicium en fonction de la charge surfacique, mesuré au centre
Variation de la température de surface d’un radiant infrarouge en
carbure de silicium en fonction de la distance des extrémités. Les
extrémités étant plus froides que le centre, rayonnent dans
l’infrarouge plus long

 

2.4 Émissivité de quelques matériaux

Émissivité Émissivité Émissivité Émissivité
Surface polie Surface oxydée noir Surface polie Surface oxydée noir
Aluminium 0.09 0.22 Incoloy 800 0.20 0.92
Laiton 0.04 0.60 Incoloy 600 0.20 0.92
Cuivre 0.04 0.65 Carbure de silicium fritté N.A 0.93
Inox 304, 316, 321 0.17 0.85 Corps noir N.A 1.00

De ce tableau il est possible de conclure que les meilleurs réflecteurs pour le rayonnement sont les surfaces polies en aluminium, laiton ou cuivre, et que les meilleurs matières des tubes chauffants utilisés pour produire ce rayonnement sont le carbure de silicium fritté, l’incolloy 800 ou l’inconel 600 oxydés noir.

2.5 Pic d’absorption de quelques matériaux (μm)

Les pics d’absorption sont les longueurs d’ondes qui sont le plus converties en énergie dans le matériau et provoquent son échauffement.

Pics d’absorption des
rayonnements infrarouges
Material
Eau Aluminium Lin, coton Concrete Silk Plaster Porcelain
Pic principal (μ) 3 3 3 3 3 3 5
Pic secondaire (μ) 6 8.5 6.5 6.5 5 6 8
Verre, Crystal Polyéthylène Plexiglass PVC Polystyrène Oxyde de magnésium Caoutchouc
Pic principal(μ) 8 3.5 6 3.5 3.5 3.5 3.5
Pic secondaire (μ) N/A 7 9 7 7 6 8

2.6 Température des produits alimentaires soumis à un rayonnement infrarouge

Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie. . Les essais ci-dessous permettent de caractériser clairement les effets du rayonnement infrarouge émis par les émetteurs en carbure de silicium.
Essais effectués en soumettant à un rayonnement infrarouge un échantillon de matière synthétique de 30 mm d’épaisseur (Gel de méthyl-cellulose) ayant un comportement aux infrarouges proche des aliments, une composition en eau similaire, Les essais sont effectués en mesurant son élévation de température à 10 mm de profondeur lorsque l’échantillon est chauffé depuis différentes distances. Essais effectués avec des émetteurs en carbure de silicium de type 9MH repris en p19 de ce catalogue.La distance est mesurée depuis le bord du réflecteur jusqu’à la surface du spécimen en gel de méthyl-cellulose. La températures de départ des échantillons est de 20°C.

Répartition de la chaleur en largeur selon la distance par rapport au centre, après différentes durée de chauffe. Distance entre l’émetteur et l’échantillon: 450 mm Evolution dans le temps de la température moyenne mesurée au centre pour différentes distances entre l’échantillon et l’émetteur Pénétration de la chaleur en fonction de la profondeur de l’échantillon, pour différents temps de chauffage. Distance entre l’émetteur et l’échantillon: 450 mm