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 Les fours et les éléments chauffants

Ces informations sont gracieusement proposées par Monsieur Damien Girard de la société Cerhec (www.cerhec.com)

L'industrie du verre plat, bâtiment et automobile, rencontre des demandes de plus en plus pointues avec des enjeux économiques énormes qui font des fours un lieu stratégique par leurs capacités de production.
De nouveaux fours doivent être imaginés, dont la solution passe clairement par une nouvelle attention aux éléments chauffants et à leur réelle efficacité. Une partie d'entre eux pourrait être appliquée aux outils de production existants, à des coûts raisonnables.
Aujourd'hui parler simplement de puissance installée, serait de la plus grande légèreté vis à vis d'un matériaux, le verre, qui présente ses propres caractéristiques.

La question fondamentale
La question fondamentale à se poser est de savoir si oui ou non la puissance émise par l'élément chauffant est bien transmise à la charge, le verre.

Il n'existe pour cela que 3 voies possibles :

  • la conduction
  • la convection
  • le rayonnement
les trois modes de transfert thermique La conduction : c'est le mode de transfert par contact et à travers la matière. La conductivité thermique du verre sera alors utilisée. Exemple : plaque chauffée sur laquelle on vient plaquer le verre.
La convection : c'est le mode de transfert par brassage de fluide, liquide ou gazeux. Exemple : air chaud soufflé sur le verre à travers des buses.
Le rayonnement : c'est le mode, par opposition au deux premiers, sans contact par excellence, celui que l'homme a le plus de mal à appréhender. Exemple : résistance boudinée, émetteur IR.

Pratiquement ces 3 modes coexistent toujours, mais l'on cherche à en développer un plus particulièrement suivant le verre.
C'est donc bien la connaissance du matériau à chauffer, de ses caractéristiques thermiques (conductivité thermique, coefficient d'échange surfacique, bandes d'absorption dans l'infra-rouge.) qui dirige ce choix.

Dans tout ce qui a été fait jusqu'à aujourd'hui, le rayonnement est de loin le mode le plus retenu. Ce mode est le plus facile à mettre en œuvre. Mais la partielle transparence du verre à l'infrarouge demande pour optimiser des fours une réelle maîtrise des notions d'émissivité sous peine de devoir développer des outillages coûteux pour pallier à ce manque.
Il est en effet très facile de faire un four de puissance installée suffisante…qui ne chauffe pas. L'arrivée de nouveaux verre très réflecteurs conduit à s'intéresser aux 2 premiers modes de transfert.

Les éléments chauffants
Le choix fait, les possibilités de fabrication sont nombreuses.
99% des éléments utilisent un alliage métallique résistif comme principe de base : le NiCr ou le FeCrAl, ensuite décliné à l'infini.
Le 1% restant concerne les éléments chauffants en SiC (céramique) et surtout MoSi2 (cermet) qui peuvent très ponctuellement être utilisés dans le domaine cité pour les très forts taux de charges qu'ils supportent.

Le FeCrAl a l'avantage de monter plus haut en température, d'être moins cher (ce qui tend à être de moins en moins vrai malgré sa forte proportion de fer), de se recouvrir d'une fine pellicule d'alumine (isolant électrique), et de permettre de loger plus de puissance. Par contre il devient cassant comme du verre, les réparations sur site son difficiles (voir impossible pour les service de maintenance) et il présente une forte tendance à faire de " l'accordéon " (spires se regroupant localement).
Au niveau des services de maintenance, les résistances doivent être manipulées avec précaution, particulièrement à la connexion.

Les résistances métalliques peuvent avoir de nombreuses présentations : résistances blindées, émetteurs céramiques, résistances façonnées, … qui ensuite peuvent être elles-mêmes montées dans ou sur des tubes céramiques, agencées en châssis ou noyées dans des dalles de matériaux céramique ou fibreux. Leur position verticale ou horizontale, en voûte ou en sole, déterminera en partie le type de sortie, de connections et les éventuels écrans de protection à prévoir.

Exemple d'éléments chauffants utilisés en verre plat

La capacité à fabriquer ou à se fournir en pièces céramiques sur mesure permettra des montages intéressants tel que les bougies chauffantes, en conciliant fonctionnalité et facilité de maintenance.
Cette double compétence céramique et éléments chauffants devient devient de plus indispensable dès que l'on parle émissivité.

Pièces céramiques

Pour le choix de tel ou tel type d'élément chauffant, la température maximale que peut supporter l'élément et la puissance qu'on peut y loger sont décisifs. Le prix conduira en général à préférer des éléments plus basiques en préchauffe (ex : résistances boudinées sur tube) en réservant au formage par exemple des chauffes localisées ou des émetteurs IR de nouvelle génération.

Dimensionnement électrique

Résistance

Le dimensionnement des résistances commencent par faire entrer dans un espace donné une puissance P pour une tension V fixée. Pratiquement il s'agit de loger le " maximum " de fil. Si ce n'est pas possible, on peut par exemple jouer sur les couplages pour obtenir de nouvelles tensions.
Un point très important à surveiller est le taux de charge évoqué plus haut, puissance surfacique sur le fil exprimée en W/cm². C'est lui qui permettra de chauffer. Dans le domaine du verre, les résistances sont "surchauffées" pour atteindre le verre. Mal calculées, elles verront leur durée de vie réduite.

Pour répondre au besoin des industriels , il a été développé de nouvelles mains chauffantes en céramique à très haute teneur en alumine évitant la surchauffe de l'élément affleurant et permettant des puissances localisées très élevées, avec une marge de sécurité importante puisque l'emploi de ces éléments va jusqu'à 1300°C. Les possibilités ne manquent donc pas.
Il est à parier que dans les 5 ans à venir chaque groupe industriel développera ses propres solutions pour répondre aux mêmes besoins : chauffer mieux, plus vite, plus précisément. Chaque ingénieur doit maintenant savoir que tout à peu prêt est réalisable.



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