Radiateurs infrarouges à gaz pour locaux industriels : structure, principe de fonctionnement, variétés

Les appareils IR, qui génèrent des flux thermiques et lumineux, sont activement utilisés dans divers domaines de la production et de l'économie domestique. Les radiateurs infrarouges à gaz pour locaux industriels sont les plus demandés. Leur action repose sur la capacité d'un corps chauffé à émettre la chaleur reçue dans l'espace.

Vous découvrirez tous les principes de fonctionnement des équipements infrarouges dans l'article que nous vous proposons. Nous vous décrirons les variétés d'équipements infrarouges et leurs différences caractéristiques. Nous vous présenterons les modèles leaders sur le marché.

La nature du rayonnement infrarouge

Le rayonnement infrarouge diffère de la lumière visible ordinaire et si familière. Ils sont similaires par la vitesse à laquelle ils se propagent et traversent l'espace. Les deux types peuvent être réfractés, réfléchis et rassemblés « en faisceau ».

Contrairement au rayonnement lumineux ordinaire, qui est constitué d'ondes électromagnétiques, le flux IR possède à la fois des propriétés ondulatoires et quantiques. C'est-à-dire qu'il transmet à la fois la lumière et la chaleur.

La lumière ordinaire et le rayonnement infrarouge sont tous deux des flux d'ondes électromagnétiques. La différence réside dans le fait que dans le premier cas, la composante visible prédomine, tandis que dans le second – la composante visible se combine à la composante thermique.

La lumière fournie par les appareils infrarouges se déplace de manière ondulatoire. Les oscillations lumineuses électromagnétiques se situent dans le segment du spectre de 760 nm (nanomètres) à 540 µm (micromètres). La chaleur émise par les radiateurs IR est un flux de quanta. Leur énergie occupe l'intervalle de 0,0125 à 1,25 eV (électron-volts).

Les flux thermique et lumineux émis par les appareils infrarouges sont interdépendants. Avec l'augmentation de l'intensité lumineuse, le flux quantique de chaleur diminue. Selon la température, le rayonnement infrarouge peut être perçu ou non par nos yeux. Le rayonnement thermique n'est pas détecté visuellement.

Cette spécificité du rayonnement infrarouge est utilisée dans l'industrie pour accélérer les processus de polymérisation et de durcissement. La partie thermique du rayonnement infrarouge permet de déterminer la présence et l'emplacement d'une personne ou d'un animal pendant la période nocturne faiblement éclairée ou non éclairée.

Les appareils de chauffage infrarouges émettent de la lumière associée à l'énergie thermique, utilisée pour créer un microclimat confortable sur les chantiers, dans les ateliers, les halls de production, les élevages de volailles, les serres et de nombreux autres sites.

Le caractère non standard du fonctionnement des appareils infrarouges, qui émettent de la lumière combinée à la chaleur, a servi de base au développement de dispositifs de vision nocturne. Elle est utilisée en défautoscopie, dans les systèmes d'alarme cachée et dans les dispositifs techniques pour photographier pendant la période obscure de la journée.

Les deux composantes du rayonnement infrarouge ne se dispersent presque pas dans l'espace traité, elles se concentrent en quelque sorte sur les objets situés dans leur zone d'influence. La chaleur pénètre dans le corps de l'objet chauffé, la profondeur de pénétration dépend des propriétés, de la structure et du matériau de l'objet. La profondeur varie d'un dixième de millimètre à plusieurs millimètres.

Les radiateurs infrarouges sont installés au sol, fixés aux murs, suspendus au plafond. Les appareils se caractérisent par une combustion sans flamme, la préservation de l'oxygène dans l'espace environnant, et ne soulèvent pas de colonnes de poussière contrairement aux convecteurs.

Lors d'une utilisation industrielle, la longueur d'onde des émetteurs infrarouges est choisie en fonction des caractéristiques techniques de l'objet ou de la substance. Les rayons infrarouges traversent librement la masse d'air, donc le chauffage s'effectue sans pertes notables. Cette circonstance est à juste titre considérée comme un avantage important dans la production.

Outre le chauffage et l'éclairage de la zone traitée par l'appareil, les émetteurs infrarouges sont utilisés pour résoudre les tâches suivantes :

Types de sources de rayonnement infrarouge

Parmi les sources les plus simples de rayonnement infrarouge, nous avons tous très bien connu les lampes à incandescence, fonctionnant sous basse tension. Dans ces conditions, elles émettent principalement des flux infrarouges. La part des ondes électromagnétiques lumineuses est alors insignifiante, mais elle est néanmoins déterminée optiquement.

Actuellement, les consommateurs privés, les entreprises de construction et de production disposent de nombreux types d'émetteurs infrarouges.

Leur domaine d'application est déterminé par :

• la température de travail ;
• la valeur maximale de la longueur d'onde ;
• la zone dans laquelle le flux infrarouge est distribué uniformément.

En tenant compte des caractéristiques énumérées, on sélectionne l'appareil émetteur destiné à résoudre des tâches spécifiques.

Les types d'émetteurs infrarouges les plus courants sont :

• Lampes avec dispositifs réfléchissants à miroir. À l'émission maximale, leur longueur d'onde est de 1,05 µm.
• Lampes tubulaires en quartz. Leur longueur d'onde à l'émission maximale se situe entre 2 et 3 µm.
• Radiateurs non métalliques à tige. Structurellement, ils sont complétés par des réflecteurs, la longueur d'onde maximale est de 6 à 8 µm.
• Radiateurs électriques tubulaires. Appareils largement utilisés dans la vie domestique et dans l'industrie, équipés de résistances chauffantes.
• Brûleurs infrarouges. Ils sont équipés d'embouts perforés en céramique ou en métal. Ils sont utilisés dans la construction pour chauffer les zones ouvertes et fermées lors de la construction d'un bâtiment et des travaux de finition.

Les sources de rayons infrarouges ont trouvé des applications dans l'agriculture. Elles sont utilisées pour chauffer les jeunes volailles et les animaux domestiques nouveau-nés. Les émetteurs sont installés dans les serres pour stimuler la croissance des variétés cultivées, dans les bergeries et les greniers pour le séchage.

Les sources de flux infrarouges sont divisées en :

• Lampes infrarouges. Ce sont des émetteurs et appareils « lumineux » fournissant un rayonnement thermique.
• Radiateurs. Dispositifs utilisés pour le chauffage d'espaces fermés et ouverts. Parmi eux, des modèles fonctionnant à l'électricité, au combustible liquide ou gazeux. L'élément chauffant peut être aussi bien une résistance électrique qu'un serpentin en alliage à haute résistance.

Selon la classification par longueur d'onde, les sources infrarouges sont divisées en deux groupes principaux : les sources sombres et les sources lumineuses. Les premières fonctionnent en émettant des ondes longues, les secondes des ondes courtes.

Radiateurs IR sombres et lumineux

Selon la définition, les sources « lumineuses » sont capables d'émettre de la lumière. Les flux qu'elles émettent sont perçus par la vue, bien qu'il soit difficile de les qualifier d'éclairage vif et qu'il ne vaille pas la peine de les utiliser à cette fin.

Les appareils « sombres » fournissent un flux de chaleur invisible pour l'homme, ressenti par la peau de l'utilisateur mais non détecté visuellement. La valeur limite entre « lumineux » et « sombres » est considérée comme une longueur d'onde de 3 μm. La température limite de la surface chauffée est de 700°.

La propriété des émetteurs infrarouges de fournir de l'énergie thermique est activement utilisée dans la culture sous serre, les poulaillers et les fermes pour soutenir les jeunes animaux.

Le représentant le plus connu de l'appareil de chauffage « sombre » est le poêle russe en brique, qui chauffe avec succès les maisons de faible hauteur depuis de nombreux siècles. Parmi les « lumineux », comme nous l'avons déjà compris, figure l'ampoule électrique à incandescence, si elle ne fournit pas plus de 12 % de lumière. Son énergie principale est alors dirigée vers la production de chaleur.

Particularités des appareils lumineux

Structurellement, les sources lumineuses sont similaires à une ampoule à incandescence typique. Cependant, il existe des différences dans les filaments. Dans les appareils infrarouges lumineux, la température ne peut pas dépasser une limite de 2270-2770 K. Cela est nécessaire pour augmenter le flux thermique en réduisant l'émission de lumière.

Tout comme dans les ampoules standard, le filament en tungstène est placé dans une ampoule en verre. Seulement, l'ampoule est équipée d'un réflecteur, grâce auquel toute l'énergie rayonnante est focalisée sur l'objet chauffé. Dans le même temps, une partie négligeable de l'énergie est dépensée pour chauffer le culot de l'ampoule.

L'ampoule des sources infrarouges lumineuses chauffe à des températures élevées, donc elle participe également au processus de transfert de chaleur dans l'espace. L'énergie thermique de l'ampoule chauffée n'est pas focalisée par le réflecteur et sort dans l'espace non traité, c'est cette composante qui réduit le rendement de l'appareil.

En termes de conception et de méthode de connexion, les lampes infrarouges ressemblent beaucoup aux ampoules à incandescence ordinaires. Cependant, la température de fonctionnement du filament y est nettement inférieure, ce qui multiplie considérablement leur durée de vie.

Le rendement d'une source infrarouge claire ne dépasse en moyenne pas 65%. On l'augmente en plaçant le corps chauffant en tungstène dans un tube en verre de quartz ou une ampoule similaire. Cette solution permet d'augmenter la longueur d'onde jusqu'à 3,3 µm et de réduire la température à 600º.

Cette variante est utilisée dans les radiateurs infrarouges en quartz, dans lesquels un fil en chrome-nickel est enroulé autour d'une tige en quartz, le tout étant placé dans un tube en quartz.

Les émetteurs infrarouges clairs se caractérisent par un faible rendement. L'efficacité de leur flux infrarouge ne dépasse généralement pas 65%.

Le principe de fonctionnement réside dans une double utilisation de l'incandescence du fil. L'énergie thermique dégagée est en partie utilisée pour le chauffage direct, en partie pour élever la température de la tige en quartz. La tige chauffée au rouge émet également des flux de chaleur.

Parmi les avantages des appareils tubulaires, on cite de manière argumentée la résistance de tous les composants en quartz et en céramique aux agressions atmosphériques. L'inconvénient est la fragilité des pièces en céramique.

Spécificités de fonctionnement et de conception des radiateurs sombres

Les sources de flux infrarouges dites «sombres» sont bien plus pratiques que leurs homologues «claires». Leur élément rayonnant est structurellement meilleur. Le conducteur chauffé lui-même n'émet pas d'énergie thermique ; c'est l'enveloppe métallique environnante qui la fournit.

En conséquence, la température de fonctionnement de l'appareil ne dépasse pas 400 – 600º. Afin que l'énergie thermique ne soit pas gaspillée, les émetteurs sombres sont équipés de réflecteurs qui redirigent les flux dans la direction souhaitée.

Les émetteurs à ondes longues du groupe sombre ne craignent pas les chocs et autres impacts mécaniques, car le fragile élément polymère ou céramique y est protégé par une sorte de boîtier métallique et une couche isolante thermique. L'efficacité des émetteurs de ce groupe atteint 90%.

Mais ils ne sont pas non plus exempts de défauts. Les radiateurs de la catégorie sombre dépendent des caractéristiques de conception de l'appareil. Si la distance entre l'élément rayonnant principal et la surface de l'appareil est grande, celle-ci sera balayée et refroidie par l'air qui passe. Le rendement diminue en conséquence.

En raison de leurs caractéristiques de conception, les modèles sombres sont installés pour chauffer des pièces à plafonds bas et des zones nécessitant une distribution linéaire de la chaleur. Les modèles clairs sont placés là où il est nécessaire de traiter des pièces à plafond haut et des zones verticalement allongées.

Brûleurs à gaz comme source de rayons IR

Les appareils dans lesquels s'effectue une combustion sans flamme du gaz sont appelés brûleurs à gaz ou émetteurs infrarouges à gaz. L'énergie thermique dégagée avec une grande intensité est transmise dans l'espace à travers la surface rayonnante de l'unité.

Ce sont précisément les radiateurs infrarouges à gaz de type brûleur qui sont utilisés à l'échelle industrielle lors des travaux de construction et de montage. Le volume prédominant d'énergie thermique est transmis par les embouts rayonnants en céramique des brûleurs.

Les embouts suivants sont utilisés :

• des plaques céramiques perforées, plates ou relief ;
• des plaques céramiques avec des pores uniformément répartis ;
• des éléments céramiques avec un écran en nichrome maille, des embouts métalliques maillés et toutes sortes d'embouts catalytiques.

Tous les types d'ouvertures énumérés dans l'élément céramique ou métallique sont des canaux de feu.

La génération de chaleur par l'embout catalytique est basée sur un processus d'oxydation activé lors de l'alimentation en gaz de la plaque.

Le combustible pour le fonctionnement de ce type d'émetteurs infrarouges est le gaz de ville, ainsi que sa version liquéfiée ou des gaz artificiellement créés. En Russie, on produit des brûleurs conçus pour le traitement du gaz liquéfié et du gaz de ville. Les équipements étrangers sont principalement conçus pour le traitement des versions liquéfiée et artificielle.

Les brûleurs à gaz infrarouges traitent le gaz avec un coefficient de combustion de la masse d'air effectivement égal à un. Ils fonctionnent au gaz de ville, au gaz liquéfié et au gaz artificiel.

Si les règles d'utilisation ne sont pas enfreintes, les produits de combustion du brûleur à gaz sont émis en quantité minimale avec une faible teneur en oxydes d'azote et en monoxyde de carbone.

Pour l'alimentation en gaz, les brûleurs à gaz infrarouges (BGI) sont équipés de buses à travers lesquelles le gaz est injecté à grande vitesse. Cette alimentation en gaz assure l'injection de l'air nécessaire à la combustion. Celui-ci est « poussé » par le flux à haute vitesse à travers l'injecteur dans la chambre de distribution.

Au-dessus de la buse émettrice de l'appareil, on place une structure métallique. Elle augmente le rendement et sert de support pour les ustensiles de cuisine si l'on cuisine sur les brûleurs.

Le gaz non seulement injecte l'air, mais se mélange également avec lui dans l'injecteur, ce qui donne un mélange air-gaz apte à une combustion complète. Ce mélange se déplace vers la surface de la buse en céramique à travers ses pores, ses trous perforés ou ses fentes, où il brûle complètement en une fine couche d'une épaisseur ne dépassant pas 1,5 mm.

Brûleurs à embouts céramiques plats

La majeure partie de l'énergie thermique est transmise aux carreaux céramiques, chauffés à des températures extrêmement élevées en moins d'une minute. La surface extérieure de l'élément céramique devient une source supplémentaire de flux thermique.

La buse céramique représente de 40 à 60 % du rayonnement émis par le radiateur infrarouge à gaz industriel. Afin d'augmenter l'efficacité de l'appareil, un écran grillagé est installé au-dessus de la buse. Pour augmenter la surface de transfert thermique, les carreaux perforés sont collés à l'aide d'un mastic réfractaire.

Un indicateur important est le diamètre des canaux de flamme. Il détermine le type de gaz que l'appareil peut traiter. Le diamètre détermine le nombre total de trous dans la carreau céramique. Plus ils sont nombreux, plus l'élément rayonnant de chaleur sera fragile et plus le BGI sera sensible aux dommages mécaniques.

Radiateurs avec embouts nervurés

En plus des embouts céramiques plats perforés, on utilise des éléments en relief. L'utilisation d'une surface nervurée dans ce cas stimule le flux d'échange thermique entre la surface rayonnante et le gaz brûlant. La tuile céramique nervurée chauffe mieux, sans que la charge thermique sur l'élément rayonnant n'augmente.

Les embouts céramiques plats et nervurés chauffent jusqu'à 1473 K. Les éléments céramiques poreux, quant à eux, ne chauffent que jusqu'à 1237 K. La version poreuse est plus simple à fabriquer, donc moins chère. De plus, sa production utilise des déchets de l'industrie céramique.

L'utilisation d'embouts céramiques avec un élément rayonnant en relief permet d'augmenter sensiblement la surface de transfert de chaleur à l'utilisateur.

L'épaisseur des carreaux poreux atteint 30 mm, ce qui augmente considérablement la résistance mécanique de l'embout. Pendant le fonctionnement du brûleur avec un tel embout, le mélange gaz-air sortant de la chambre de distribution brûle sur la surface externe du carreau céramique dans une couche allant jusqu'à 2 mm.

La zone de combustion dans l'embout poreux se déplace de la surface externe jusqu'à une profondeur de 3 à 5 mm. La température de chauffe n'atteint alors que 1123 K.

L'inconvénient des embouts poreux pour les radiateurs infrarouges à gaz est une résistance hydraulique excessivement élevée, ce qui rend impossible l'utilisation du gaz de réseau à basse pression en fonctionnement.

Équipements à grilles métalliques

Cependant, tous les types d'embouts listés sont en céramique, donc, malgré l'épaisseur et toutes les astuces du fabricant pour augmenter la résistance, ils restent fragiles. La fragilité est particulièrement gênante si l'appareil doit être fréquemment déplacé.

C'est pourquoi, pour le chauffage de zones lors de travaux de construction ou de montage, un type de brûleur plus robuste a été développé, équipé d'une double grille métallique. Dans un tel appareil, le mélange gaz-air est traité dans l'espace entre l'embout et les grilles. La surface de la grille externe ne chauffe que jusqu'à 1023 K.

L'utilisation d'une grille métallique a permis d'augmenter considérablement la puissance thermique du radiateur infrarouge, tout en protégeant l'embout céramique des dommages.

Dans les radiateurs infrarouges à gaz avec embouts grillagés, ces éléments sont fabriqués en alliages résistants à la chaleur contenant du chrome et du nickel. Les embouts sont conçus de sorte que la taille des mailles de la grille supérieure permette à la flamme de passer librement, tandis que celle de la grille inférieure soit minimale, critique pour éviter le retour de flamme. Ici, les deux grilles ou une seule peuvent être des émetteurs de chaleur infrarouge.

Si le brûleur infrarouge traite du gaz de ville ou un mélange liquéfié propane-butane provenant d'une bouteille de gaz, seul le grillage supérieur est impliqué dans la diffusion de l'énergie thermique. Si le gaz traité a une faible charge, les deux grillages émettent de la chaleur. De cette manière, le transfert de chaleur est augmenté.

Cependant, le rendement maximal des brûleurs infrarouges à gaz à grillage ne dépasse pas 60%, car la résistance hydraulique des buses est deux fois supérieure à celle des carreaux céramiques perforés de toutes variétés. Il est toutefois inférieur à celui des buses poreuses.

Appareils à puissance thermique accrue

L'efficacité assez faible des émetteurs infrarouges à gaz à plaques céramiques et grillages a conduit à rechercher des moyens d'augmenter la puissance thermique. Le résultat a été atteint grâce à l'introduction d'un nouveau type de buse, qui se présente sous la forme d'un panneau céramique avec une série de fentes.

En coupe, les fentes présentent un élargissement soudain ; leurs orifices d'entrée sont plus petits que les orifices de sortie. Cette solution améliore l'efficacité du brûleur grâce à la recirculation des produits de combustion, c'est-à-dire leur retour à la base de la flamme dans le canal de combustion. De plus, la flamme dans ces modèles est plus stable et s'éteint beaucoup moins souvent par vent fort.

Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la puissance thermique, dont l'une consiste à décaler les ouvertures des fentes les unes par rapport aux autres. Cette solution contribue également à la protection contre l'action du vent.

La section libre des panneaux à fentes représente en moyenne 55 à 60 % de leur section réelle totale. Les brûleurs équipés de ces panneaux fonctionnent au gaz à moyenne pression. Le plan externe de la buse chauffe jusqu'à 1723 K.

Radiateurs résistants au vent

La stabilité de fonctionnement sous charge de vent est un paramètre important pour le choix d'un brûleur infrarouge à gaz utilisé dans la construction ou le montage d'installations industrielles. Cette qualité n'est pas possédée par tous les émetteurs infrarouges industriels à gaz.

Pour les espaces extérieurs, des appareils spéciaux sont nécessaires, qui :

• se caractérisent par une injection stable, indépendante des rafales de vent ;
• sont équipés d'un dispositif empêchant la déviation du jet sortant de la buse ;
• sont protégés contre le refroidissement actif de la surface d'émission, dû à l'action des vents.

Dans la fiche technique d'un équipement à gaz capable de chauffer par vent fort sans s'éteindre, la résistance au vent est indiquée. Cette caractéristique des brûleurs infrarouges fabriqués en série est à peu près la même en cas d'impact direct, c'est-à-dire frontal, du vent, qu'en cas de soufflage latéral.

La réduction du coefficient d'injection provoque l'apparition d'une flamme sur la surface extérieure du panneau émetteur. La température chute alors brusquement. Elle est abaissée par l'air froid qui pénètre dans la zone de combustion.

La résistance au vent est physiquement liée à la charge thermique spécifique et au volume d'air arrivant à la buse pendant la combustion. En cas d'excès et de vitesse élevée du flux d'air, le rendement du radiateur infrarouge diminue. Cette diminution s'accompagne de l'apparition de flammes, d'un noircissement de la surface émettrice et de l'arrêt de l'appareil en mode sans flamme.

Aperçu des fabricants de radiateurs IR

Les appareils à gaz pour créer un microclimat favorable sur les chantiers, dans les ateliers, les usines et autres sites similaires sont fabriqués aussi bien par des entreprises nationales que par des sociétés étrangères.

Selon les consommateurs, le classement des produits de fabrication russe est dominé par les brûleurs à gaz de la marque Solyarogaz. Dans la gamme présentée par cette société, on trouve des modèles conçus pour chauffer des surfaces de différentes tailles. Les appareils peuvent être utilisés dans les serres, les garages et les espaces extérieurs.

L'un des types d'équipements infrarouges à gaz les plus demandés sur le marché national et éprouvés dans la pratique est la gamme de brûleurs et de plaques à gaz de la société Solyarogaz.

Le seul inconvénient que les acheteurs et les propriétaires réels des modèles de brûleurs et de plaques à gaz du fabricant moscovite doivent prendre en compte est l'absence de capteurs de systèmes de sécurité. Par conséquent, ils peuvent être utilisés dans la vie quotidienne, mais en respectant les mesures de précaution.

Les produits de la société Sledopyt ne sont pas moins populaires. Cependant, dans la gamme commerciale proposée au client, les produits destinés à un usage domestique et les versions touristiques prédominent.

Les plaques utilisées à la fois pour le chauffage et pour la préparation de plats simples, ainsi que les mini brûleurs à cartouche, jouissent d'une popularité tout à fait justifiée.

Les radiateurs à gaz portant le logo Aeroheat ont reçu d'excellentes évaluations de la part des consommateurs. Cet équipement séduit par sa fiabilité, due à l'utilisation de composants de haute qualité, et par son prix abordable. Les réchauds et brûleurs à gaz de Dixon et Sibiriatchka ont fait leurs preuves.

La liste des radiateurs à gaz de qualité provenant de fournisseurs étrangers est dominée par les brûleurs et réchauds à gaz de la société sud-coréenne Kovea. Les produits de cette marque sont largement utilisés dans les petits ateliers, sur les chantiers de peinture et de construction, lors de randonnées et de parties de pêche.

Les réchauds et brûleurs à gaz de Hyundai ne sont pas inférieurs en qualité et en caractéristiques techniques aux appareils des fabricants européens. Sur certains points, ils les surpassent même.

Pour l'aménagement des ateliers, on utilise plus souvent des radiateurs à gaz de la société italienne Sistema. Les modèles du sud-coréen Hyundai, les poêles à gaz italiens Bartolini, qui peuvent être utilisés aussi bien à la maison qu'au bureau, sont très demandés. Les poêles suédois Timberk et l'équipement chinois Ballu se distinguent par leur fiabilité et leur fonctionnement stable.

Conclusions et vidéo utile sur le sujet

L'auteur de la vidéo suivante explique en détail le principe de fonctionnement et les avantages des brûleurs à gaz IR :

Les détails de l'organisation du chauffage infrarouge sont présentés dans la vidéo suivante :

Les étapes d'installation d'un appareil de chauffage au gaz de type plafond sont démontrées ici :

En Russie, on produit différents types de brûleurs infrarouges, parmi lesquels figurent des modèles résistants au vent. La gamme proposée par l'entreprise permet de choisir un appareil pour le chauffage d'espaces ouverts et fermés.

Il est important de déterminer avant l'achat dans quel but et dans quelles conditions l'équipement sera utilisé, puis de choisir soit un modèle plus performant, soit un modèle robuste qui ne craint pas les déplacements multiples.