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INTRODUCTION

La production de chaleur a toujours été une préoccupation majeure dans

l’industrie. Les procédés permettant d’atteindre ce but doivent être capables non

seulement de fournir la quantité de chaleur demandée, mais en plus de permettre

une régulation de la température ou même une application localisée de cette énergie.

Elles doivent également assurer le chauffage de divers types de matériaux quelles

que soient leurs caractéristiques. Cette dernière exigence a longtemps été un

problème dans le cas du chauffage des matériaux diélectriques. En effet, ceux-ci sont

de très mauvais conducteurs électriques et thermiques et par conséquent sont peu

adaptés aux techniques de chauffage classiques. La technique de chauffage par

hystérésis diélectrique a été mise au point pour apporter une solution à ce problème

et c’est sur elle que portera notre étude.

Ainsi, nous présenterons dans un premier temps le phénomène physique à la

base de ce procédé et nous en décrirons les caractéristiques. Ensuite, nous

étudierons les installations permettant de réaliser ce chauffage. L’étape suivante

consistera à faire une comparaison entre les différents types de chauffage par

hystérésis diélectrique puis enfin, de décrire les applications industrielles de cette

technique.

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I- PRINCIPES PHYSIQUES

1- Notion de chauffage par hystérésis diélectrique

Le chauffage par hystérésis diélectrique est une technique de chauffage

électrique visant à chauffer des matériaux peu conducteurs électriquement et, généralement, thermiquement appelés matériaux diélectriques. Ainsi, un matériau diélectrique peut être défini comme un isolant dont les électrons sont très fortement liés aux atomes qui le constituent et qui de ce fait, ont une résistivité très élevée (108 à 1016 Ω m).

Il existe deux applications de cette technique, bien que basées sur des

technologies différentes :

Le chauffage par fréquence radio ou hautes fréquences

Le chauffage par micro-ondes ou hyperfréquences Le phénomène de chauffage par hautes fréquences a été pour la première fois

observé en 1861 par Siemens qui constata que le verre d’une bouteille de Leyde s’échauffe quand on la charge. Cependant, leur étude systématique ne fut commencée qu’en 1882 par Naccari et Bellati. Depuis cette époque, de nombreux expérimentateurs ont étudié cette absorption d’énergie dans les diélectriques, énonçant de nombreuses hypothèses sur le processus de production de la chaleur.

Concernant le chauffage par micro-ondes, il fut pour la première fois observé

par le Dr Percy Spencer alors qu’il menait des recherches sur les radars. De nos jours, il est avéré que ces deux types de chauffage sont mis en œuvre par

la polarisation des diélectriques lorsque ceux-ci sont traversés par des ondes électromagnétiques.

2- La polarisation

Diélectriques polaires et non polaires Si l'on place dans la cavité d'un four micro-onde électroménager un verre d'eau

ou une éponge humide, au bout de quelques secondes après la mise en route du four, on observe une forte élévation de température. Par contre, si l'on remplace ces produits par un volume équivalent de Téflon ou de polypropylène, après un temps équivalent d'émission des ondes, on ne notera aucune évolution de température de ces matériaux. Il apparaît donc que la dégradation, en chaleur d'une onde électromagnétique dans un matériau, dépend en tout premier lieu de la nature du matériau soumis au champ électrique.

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Tous les diélectriques peuvent être divisés en deux catégories : diélectriques

polaires et diélectriques non polaires. La somme totale des charges dans une molécule est nulle, mais l’arrangement (la

structure) de ces charges peut être différent d’une matière à une autre. Les centres de gravité peuvent coïncider ou ne pas coïncider : • Dans le 1er cas : la molécule est non polaire. • Dans le 2ème cas : la molécule (et donc la matière en question) est dite polaire.

Elle constitue un dipôle et, même en l’absence de champ électrique externe, elle possède un moment dipolaire.

Il est clair que les molécules arrangées de façon symétrique (qui possèdent un

centre de symétrie) sont non polaires du moment que les centres de gravité des charges positives et négatives coïncident avec le centre de symétrie. Par contre, les molécules asymétriques sont polaires.

Les molécules monoatomiques (He, Ne, Ar, Kr, Xe) et les molécules formées de deux atomes identiques (H2, N2, Cl2, etc…) sont non polaires. Par contre, les molécules à composition ionique telles que l’iode de potassium KI ont un moment dipolaire élevé.

Exemples : Les molécules CH4 et CCl4 sont symétriques et donc non polaires. La molécule

d’eau est asymétrique donc polaire.

Mécanisme de la polarisation Sous l'action d'un champ électrique externe, le dipôle a tendance à s'orienter

parallèlement à ce dernier. C’est cet alignement des molécules suivant la direction du champ qu’on appelle la polarisation du diélectrique.

Si le champ électrique est alternatif, on assiste à la "mise en vibration" de la

molécule qui "cherche à suivre" le champ électrique excitateur. Dans le cas où le champ excitateur agit sur un ensemble de molécules polaires très peu distantes les

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unes des autres, il se produit des chocs et des frottements intermoléculaires d'où un échauffement dans tout le volume du matériau (chauffage volumique).

Exemple de la molécule d’eau L’eau connaît une notoriété sans égale parmi les diélectriques. Dans cette

molécule, un atome d’oxygène est lié à deux atomes d’hydrogène par des liaisons de covalence mettant en jeu un doublet d’électrons. La molécule est électriquement neutre mais est polarisée. En effet, la densité d’électrons est plus grande près du noyau d’oxygène que près des noyaux d’hydrogène. Cette polarité se mesure expérimentalement par de nombreuses caractéristiques électriques, comme le moment dipolaire (6,31.10-30 C.m), la constante diélectrique ou le moment quadripolaire. Aussi, la molécule d’eau entre en interaction avec toute particule chargée et tout champ électrique.

L’eau pure tout comme la glace pure, conduit mal l’électricité. La résistivité de l’eau pure est en effet de 2,5.105 Ω m alors que celle de l’argent, par exemple, vaut 1,59.10-

8 Ω m. Les impuretés comme les minéraux contenus dans « l’eau ordinaire » sont responsables de sa bonne conductivité. Les moments dipolaires tendent donc à s’orienter suivant la composante électrique de ces ondes et les forces induites dans ces molécules provoquent des torsions internes amenant la molécule à un état de vibration qui s’ajoute aux mouvements de rotations. L’énergie qui en résulte, et donc la chaleur produite est l’élément clé de la cuisson des aliments par micro-ondes.

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Les molécules ne constituant pas un dipôle sont quant à elles insensibles au champ électrique externe et ne sont donc pas susceptibles de s’échauffer.

3- Facteur de pertes

Tous les matériaux ne sont pas adaptés au chauffage par diélectrique. La facilité avec

laquelle un matériau diélectrique peut être chauffé est définie par le facteur de pertes.

Plus le facteur de perte est élevé, plus le matériau absorbe l’énergie. Le terme de

facteur de pertes, dérivé de l’ingénierie électrique, est en réalité trompeur. En

ingénierie électrique, on souhaite réaliser des condensateurs possédant un facteur de

perte faible (i.e. à faible dissipation interne). Alors que le chauffage par hystérésis

diélectrique nécessite un facteur de pertes important.

En première approche, deux phénomènes jouent un rôle dans le chauffage par

diélectrique d’un matériau: la polarisation et l’échauffement entre les molécules

polarisées. L’ensemble de ces éléments est contenu dans la définition du facteur de

perte ε”.

ε” = ε’ . tan(δ)

ε’ est la permittivité relative ou constante diélectrique du matériau (mesure directe

de la capacité d’un matériau à être polarisé).

δ est l’angle de perte, c'est-à-dire le déphasage temporel entre l’orientation de la

molécule et l’orientation du champ électrique du fait du frottement.

Pour un matériau donné, le facteur de perte n’est pas une valeur constante. Il

dépend, entre autres, de la température, de la teneur en humidité et de la fréquence.

Les autres propriétés, telle que l’orientation du champ électrique, peuvent aussi avoir

de l’influence. Le tableau suivant est une présentation générale des propriétés

diélectriques de quelques matériaux communs.

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4- La puissance dissipée

La formule ci-dessous permet de calculer la puissance dissipée dans un matériau

diélectrique dans le cas particulier de deux plaques planes en regard l’une de l’autre

ou, plus généralement, à un volume infiniment petit dans le matériau diélectrique:

P = 2π . f . ε0 . (ε . tan(δ)) .E2

- f : fréquence du champ électrique [Hz]

- ε0 : constante diélectrique du vide (8,84·10-12 F/m)

- ε’·tan(δ) : facteur de pertes du matériau

- E : intensité du champ électrique dans le matériau (rms) [V/m]

Cependant, dans plusieurs cas, la formule donne de bonnes approximations de la

puissance dissipée et peut être utilisée comme une estimation lors des tests de

conductivité. La formule contient les facteurs permettant de déterminer la puissance

dissipée : la fréquence, les caractéristiques du matériau (propriétés du diélectrique)

et l'intensité du champ électrique.

Effet du facteur de perte sur la puissance dissipée

La puissance dissipée augmente en fonction du facteur de perte dont les principales

variables sont la fréquence du champ électrique, la température, la teneur en

humidité, etc.

La température et le degré d’humidité sont les paramètres qui varient le plus lors du

processus de chauffe. Leurs variations ont pour effet de modifier le facteur de perte

et affectent donc le processus de façon significative. Une augmentation de la

température conduit usuellement à une augmentation du facteur de perte.

Il existe une température critique Tc pour laquelle le coefficient de température du

facteur de perte devient positif. Le matériau dissipe alors brusquement une quantité

de chaleur importante aux endroits les plus chauds. Cet effet est connu sous le nom

d’emballement thermique et peut endommager le produit. Les températures

critiques surviennent souvent lors de phases de transformation dans le matériau.

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II- ETUDE DES INSTALLATIONS

1- Installations de chauffage haute-fréquence

Une installation de chauffage haute fréquence est composée essentiellement

d’un générateur haute fréquence, un dispositif d'adaptation entre le générateur et la

charge, l’applicateur lui-même avec son système d'électrodes et des dispositifs

auxiliaires pour le contrôle et la manutention.

1.1- Les applicateurs

L’applicateur (ou l’espace d’opération) contient le produit qui doit être chauffé.

Différents types d'applicateurs sont utilisés en fonction de la nature et de la forme

du produit et du caractère continu ou discontinu du processus de fabrication. Les

électrodes peuvent être divisées ou constituer les armatures uniques d'un

condensateur plan ou d’une autre forme géométrique (tubes ou sphères

concentriques ...) :

- Electrodes à plaque : le produit qui doit être chauffé est placé, ou défile en

masse ou en nappe entre les plaques d’un condensateur plat. La première

disposition, où le produit peut être en contact ou non avec les électrodes, est

surtout utilisée pour des opérations discontinus (soudage de plastique, collage

ou assemblage de bois… tandis que la seconde permet une production

continue.

- Electrodes à champ radial : Dans cette configuration, les électrodes ont la

forme de tubes ou de tiges. Elles sont placées dans la même direction que le

produit à chauffer. Des électrodes successives possèdent des polarités

opposées et le champ électrique est horizontal. Cette technique permet

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d’obtenir un champ électrique élevé conduisant ainsi à une grande densité de

puissance même sur des produits de faible épaisseur. Les électrodes à champ

radial sont utilisées pour des produits fins ou pour des couches fines jusqu’à

10 mm.

- Electrodes en quinconce : Le produit qui doit être traité se trouve entre

deux lignes d’électrodes dont la structure est à tube ou à tige. Le champ

électrique est orienté selon un angle oblique par rapport au mouvement du

produit. Grace à ce dispositif, un important champ électrique peut être obtenu

en comparaison aux habituels condensateurs à plaques planes. Comparé à des

électrodes à champ radial, cette méthode offre généralement un champ plus

homogène. L'intensité du champ peut facilement être régulée en modifiant la

distance entre les électrodes.

- Electrodes de soudure : Une des principales applications du chauffage par

fréquence radio est la soudure de plastiques (surtout le PVC). L’objet qui doit

être soudé est placé entre l’électrode plate et l’électrode supérieure,

spécialement conçue pour cette application. La pression est exercée sur

l’électrode du haut.

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1.2- Le générateur de haute fréquence

Le chauffage ne peut se produire que si la fréquence est suffisamment

élevée. Les générateurs utilisés sont constitués par un oscillateur auto-excité à une

ou plusieurs triodes. La figure représente le schéma de principe d’un oscillateur auto-

excité.

Le circuit oscillant est excité par des impulsions provenant d’un tube à vide. En

régime établi, la fréquence de fonctionnement est stabilisée donc autour de la

fréquence de résonance du circuit oscillant. Un couplage de sortie, analogue à un

transformateur, permet de prélever la puissance du circuit oscillant pour la

transmettre à l’applicateur.

Un générateur HF est caractérisé par quatre grandeurs fondamentales : la puissance

utile, le rendement, la fréquence et l’impédance nominale.

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• La puissance utile du générateur dépend essentiellement de la source haute tension

continue (5 000 à 15 000 V) et du point de fonctionnement de la triode.

• Le rendement du générateur, entre puissance HF et réseau, est surtout déterminé

par le point de fonctionnement de la triode ; celui-ci dépend de l’impédance « vue »

par la triode entre anode et cathode, de la polarisation de la grille, et du couplage

entre la grille et le circuit oscillant.

• La fréquence du signal de sortie et sa stabilité sont liées à la conception du circuit

oscillant : fréquence de résonance, surtension.

• L’impédance nominale du générateur est égale à l’impédance de l’applicateur qui,

reliée à la sortie du générateur, permet à la triode de travailler au point de

fonctionnement choisi.

Le refroidissement des tubes électroniques est assuré par circulation d’eau traitée ou

par convection forcée. Pour les faibles puissances, le refroidissement est souvent

naturel. L'énergie perdue dans le refroidissement des tubes peut être récupérée pour

le chauffage des locaux, améliorant ainsi nettement le rendement du procédé ou,

mieux, directement pour assurer un chauffage d’appoint du four.

1.3- Lignes de transmission d’énergie

Pour un réseau électrique de fréquence 50 Hz, les effets de capacité parallèle et de

self série entre les deux conducteurs alimentant un appareil n’apparaissent pas. À

basse fréquence, les effets de self Lω et de capacité 1/Cω n’entraînent pas de perte

de courant autre que celle due à la résistance linéique des conducteurs.

Pour des fréquences plus élevées comme les radiofréquences, on assiste à un double

effet se traduisant par :

— une fuite de courant par la capacité (tout se passe comme si le courant était

directement dévié dans le fil retour) ;

— un « blocage » du courant par l’effet de self.

Pour éviter ces phénomènes, on utilisera des lignes coaxiales pour les hautes

fréquences (figure).

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Un câble coaxial est composé de deux conducteurs concentriques séparés par un

diélectrique :

— le conducteur central peut être composé d’un fil massif ou de plusieurs fils divisés.

Ces fils peuvent être en cuivre nu, étamé, argenté ou en acier recouvert de cuivre,

lui-même étamé ou argenté ;

— le diélectrique est un isolant qui sert à séparer le conducteur central du conducteur

extérieur. Cet isolant, choisi pour avoir le minimum de pertes diélectriques,

détermine les principales qualités du câble ;

— le conducteur extérieur peut être composé d’une ou de plusieurs tresses de cuivre

nu ou argenté ou d’un tube de cuivre, voire d’un feuillard. La qualité de ce

conducteur détermine son efficacité;

— dans certains cas, le coaxial est recouvert d’une couche de protection mécanique

et/ou chimique extérieure.

Elle est en général en matière plastique et, dans certains cas extrêmes, elle se

compose d’une gaine de plomb, d’un feuillard, d’une tresse métallique ou de fibres

de verre.

1.4- Adaptation du générateur à la charge

Définition d’un système adapté

La notion d’adaptation d’impédance est essentielle, car elle permet d’assimiler les

conditions à respecter sur un montage haute-fréquence ou micro-onde pour garantir

une transmission optimale de l’énergie du générateur à sa charge et la survie des

sources.

Pour assurer le transfert optimal de toute l’énergie issue du générateur vers le

produit, il faut qu’il y ait identité entre les impédances de sortie du générateur et

d’entrée de l’applicateur. Lorsque cette condition est remplie, le système est dit

adapté.

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Boites d’adaptation

L’utilisation d’éléments capacitifs variables associés à des selfs fixes permet de

résoudre ce problème. On appellera ces montages boîtes d’adaptation ou matching

box ; elles ont pour rôle de ramener l’impédance quelconque d’une charge à

l’impédance caractéristique de la ligne véhiculant l’énergie créée par le générateur.

En règle générale, le standard d’impédance de ces lignes est fixé à 50 Ω.

1.5- Dispositifs auxiliaires

Il s’agit des instruments de mesure des différentes caractéristiques du matériau à

chauffer (température, permittivité du produit), de la puissance fournie par le

générateur et éventuellement réfléchie par l’applicateur.

2- Installations de chauffage par micro-ondes

Trois éléments principaux constituent le dispositif micro-onde :

- le moyen de production de micro-ondes

- les éléments d’adaptation et de mesure

- l’applicateur, où le matériau à traiter est placé

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2.1- Le moyen de production de micro-ondes

Il existe de nombreux moyens de production des micro-ondes, mais deux d’entre eux sont particulièrement utilisés : le klystron et le magnétron.

a- Le magnétron Le rôle du magnétron est de produire une tension électrique alternative à la fréquence de 2 450 MHz servant à alimenter une antenne. Le magnétron, en général de structure cylindrique, est un tube constitué comme une diode classique. Il comporte une cathode centrale, qui émet des électrons, et une anode concentrique externe percée de cavités résonnantes. Un champ électrique de direction radiale est appliqué entre l’anode et la cathode. Un champ magnétique uniforme de direction parallèle à l’axe du tube est créé, par des aimants ou bobines. La cathode émet des électrons qui sont accélérés par le champ électrique suivant des trajectoires radiales vers l’anode. L’association des deux champs électrique et magnétique confère aux électrons un mouvement de giration. Ce mouvement provoque la résonance électrique des cavités. Cette résonance est transmise à une antenne placée dans l’une des cavités, et reliée au milieu extérieur, ce qui permet d’émettre la puissance électromagnétique.

b- Le Klystron

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Le klystron diffère du magnétron par sa structure linéaire. Les électrons sont produits par un filament chauffé, et sont accélérés dans une section contenant deux grilles. Ces deux grilles sont liées à une source de tension alternative, qui rend possible une alternance de la charge : lorsqu’une grille est positive, l’autre devient négative. L’électron sera dès lors soit accéléré par une grille positive, soit décéléré si la grille est négative. On obtient donc un nuage électronique plus « dense » localement. Après avoir été modulé, le flot d’électrons passe dans la section centrale, qui contient des cavités résonantes puis est collecté sur une électrode séparée.

Une cavité résonante est un dispositif à l’intérieur duquel de l’énergie électromagnétique peut être stockée sous forme d’ondes stationnaires. Le faisceau d’électrons traverse un certain nombre de cavités résonnantes séparées par des cylindres appelés « tubes de glissement ». Le principe de l’amplification par le klystron est fondé sur l’interaction du champ électrique hyperfréquence dans les cavités résonnantes et du faisceau d’électrons qui les traverse.

On récupère le champ amplifié dans la dernière cavité, dont la puissance

électromagnétique résultant du processus est nettement supérieure à celle du champ d’entrée. Le principal intérêt du klystron réside dans sa puissance élevée comparée à celle du magnétron.

2.2- Eléments d’adaptation et de mesure

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a- Guide d’ondes rectangulaire Pour les fréquences élevées (gamme des micro-ondes), le transport d’énergie s’effectue à partir d’un guide d’onde qui présente une perte en ligne plus faible que celle d’une ligne coaxiale.

b- L’isolateur L’isolateur est l’ensemble formé par les deux éléments suivants : le circulateur et la charge à eau. Le circulateur est placé entre la source micro-ondes et le circuit d’utilisation, et sert à protéger le magnétron des réflexions d’ondes, tout en ne perturbant pas l’onde incidente émise par celui-ci en direction du matériau à traiter. Il est constitué d’un noyau de ferrite à aimantation permanente. Le circulateur, dont la structure est en forme d’un té, sert de sens giratoire pour l’onde, c’est-à-dire que l’onde incidente située dans une des trois voies se retrouve dans une seule des deux autres voies restantes. La charge à eau est utilisée dans le but d’assurer un régime d’ondes progressives au sein de l’applicateur micro-ondes. Son rôle est d’empêcher une réflexion de l’onde, donc l’établissement d’un régime d’onde stationnaire, par une absorption totale d’une éventuelle énergie résiduelle en bout d’applicateur. C’est pourquoi souvent les applicateurs se terminent par une charge à eau. Généralement, l’association du circulateur à une seconde charge absorbante, telle qu’une charge à eau, est utilisée dans le cas où le matériau présente une trop forte réflexion. De cette façon, l’onde réfléchie vers le générateur est déviée par la ferrite puis absorbée totalement par la charge à eau.

c- Le coupleur directif Le coupleur directif permet la mesure précise de la puissance véhiculée par l’onde dans un circuit micro-ondes. La méthode consiste à dévier une faible partie de la puissance électromagnétique par prélèvement de celle-ci par une antenne reliée à un bolomètre, lui-même relié à un wattmètre. Par exemple pour mesurer la puissance véhiculée par l’onde arrivant en 1 et sortant en 2, une très faible partie de cette puissance (1/1 000 000 précisément) sera prélevée par l’antenne puis mesurée à l’aide du wattmètre.

2.3- L’applicateur

L’applicateur permet le transfert de l’énergie électromagnétique provenant du générateur au sein du matériau à traiter. Son choix dépend de la nature, de la forme et des dimensions du matériau ; elle dépend aussi de la fréquence

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employée, de la puissance à appliquer et de la nature (continue, semi continue, statique) du processus.

Il en existe deux architectures de base :

- L’applicateur monomode défini par un seul mode de propagation transportant la puissance. Le produit est déplacé au travers d'un guide d'onde rectangulaire plié.

- L’applicateur multimode qui est en fait une cavité résonnante dans laquelle le produit est placé

Il existe de nombreux types d'applicateurs micro-ondes. Nous en donnerons quelques exemples

Applicateurs tunnels

Ce type d'applicateur se compose d'un tunnel alimenté par des

générateurs micro-ondes où les produits défilent en continu sur une bande

transporteuse en matériau isolant électrique. Ce tunnel est muni de sas d'entrée et

de sortie étanches aux ondes électromagnétiques.

Ces applicateurs tunnels sont, par exemple, utilisés pour la

décongélation de grosses masses ou la cuisson de produits alimentaires. Des

dispositifs analogues sont employés pour la vulcanisation du caoutchouc.

Guides fendus repliés

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Pour le traitement des produits plans, on pourra utiliser des guides

fendus afin de permettre un défilement continu du produit à l’intérieur du guide. La

fente ne gêne pas la circulation des courants électromagnétiques dans le guide. Mais

un seul passage ne suffit généralement pas pour fournir une énergie suffisante au

matériau. De plus, il existe une certaine atténuation du champ électrique sur la

largeur du produit à traiter, ce qui provoque un échauffement non uniforme. Afin

d’homogénéiser le traitement et uniformiser la répartition de la puissance, on a

recours à des guides d’ondes en méandres afin que le produit reçoive plusieurs fois

une portion d’énergie

Cet applicateur est bien adapté au traitement en continu de produits

plats et minces.

Guides à fentes rayonnantes

Il se peut que le produit n’entre pas dans les considérations

précédentes. On pourra alors utiliser des guides d’ondes rayonnants. Ces guides sont

pourvus d’encoches disposées précisément de façon à faire rayonner le champ

électrique à l’extérieur du guide. Pour être rayonnantes, les fentes sont placées sur le

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grand côté du guide, soit obliques, soit parallèles au guide, et décalées par rapport à

l'axe (une fente dans l'axe ne rayonne pas), ou sur le petit côté, obliques ou

horizontales (une fente perpendiculaire ne rayonne pas). Le produit à traiter défile

au-dessus des fentes rayonnantes. Pour améliorer le rendement, chaque fente peut

être accompagnée d'une petite tige correctrice permettant d'adapter au mieux

l'impédance de la fente à celle de l'espace. Comme pour le guide fendu replié en

méandres, l'énergie résiduelle des ondes est absorbée par une charge d'eau. Cette

disposition est utilisée pour le traitement au défilé de produits plats et minces. En

associant plusieurs guides à la suite, on pourra donc traiter des produits plus grands

avec des épaisseurs plus importantes.

Cavités résonnantes parallélépipédiques et cavités multimodes

Les ondes se réfléchissent sur les parois métalliques de la cavité et sont absorbées par le produit. Les dimensions de la cavité sont telles qu'il se forme généralement des ondes stationnaires.

Cavités résonnantes circulaires

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Pour traiter des matériaux filiformes, les applicateurs précédents ne

conviennent pas car l'interaction avec le champ électrique est insuffisante. On utilise

alors des cavités résonnantes circulaires dont les caractéristiques sont telles que le

champ électrique est parallèle à l'axe.

Cas des installations industrielles La forme d’applicateur la plus courante en industrie est la forme multimode. Elle est utilisée dans environ 50% des systèmes. Elle peut être considérée comme une extension des applicateurs pour les fours à micro-ondes à usage domestique, dimensionnée pour le chauffage de produits plus volumineux. Ils sont constitués d’une enceinte en métal à l’intérieur de laquelle des micro-ondes sont générées et subissent des réflexions. La superposition des ondes incidentes et réfléchies donne naissance à plusieurs modes de propagation de la puissance.

III- COMPARATIF ENTRE CHAUFFAGE HAUTES FREQUENCES ET MICRO-ONDES

1- Profondeur de pénétration Lorsqu'une onde électromagnétique atteint un objet, une partie de ce rayonnement sera réfléchi. L'autre partie pénètre dans le matériau et est absorbé progressivement

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L’absorption progressive de la puissance est caractérisée par la profondeur de pénétration d. Elle est définie comme la profondeur dans le matériau pour laquelle le transfert a été réduit de 37% par rapport à la puissance entrante. Autrement dit, 63% de la puissance transférée est dissipée dans la couche surfacique d’épaisseur d. La profondeur de pénétration est inversement proportionnelle à la fréquence multipliée par tan (δ) et par la racine carrée de la permittivité relative.

√ ( )

En général, la profondeur de pénétration est plus petite pour le chauffage par micro-ondes car la fréquence est largement plus élevée que celle des installations à fréquences radio. Cependant, les propriétés diélectriques du matériau qui doit être chauffé jouent un rôle primordial.

2- Différences technologiques Les techniques par fréquences radio et micro-ondes sont basées sur le même principe. La fréquence de fonctionnement est cependant différente. Les installations à fréquences radio fonctionnent dans une plage de fréquences de 10-30 MHz, associées à des longueurs d’ondes allant de 10 à 30 mètres. L’énergie est transférée aux produits grâce à des jeux d’électrodes. Le champ électrique est généralement polarisé. Les micro-ondes se situent dans la plage 900- 3000 MHz et possèdent, en conséquence, de plus petites longueurs d’ondes: 10 à 30 centimètres. La longueur d’onde étant bien souvent inférieure aux dimensions des équipements de l’installation, toute la technologie utilisée repose sur la propagation des ondes électromagnétiques.

3- Géométrie du produit à chauffer

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La dimension du produit à traiter est à considérer en relation avec l’homogénéité du traitement souhaité. Si l’on se souvient que la longueur d’onde définit une dimension de référence associée à la propagation des ondes électromagnétiques et que la pénétration des ondes se fait d’autant plus profondément que la longueur d’onde est grande, que la permittivité du produit est élevée et que les pertes sont faibles, on justifie que les micro-ondes 2 450 MHz peuvent s’imposer si le volume du produit à traiter est petit. À l’inverse, les hautes fréquences peuvent être réservées au traitement de produits de taille importante. Si toutes les dimensions du produit sont de l’ordre du décimètre, soit un volume de 50 dm3, les micro-ondes 450 MHz sont généralement à éviter. On peut alors conseiller d’utiliser la fréquence 915 MHz ou la fréquence 27,12 MHz. Pour le séchage d’une nappe, on choisira ainsi les micro-ondes pour des laizes de faible largeur. Pour des laizes de grande largeur, on préférera les hautes fréquences qui procurent une meilleure homogénéité de la distribution du champ électrique dans le sens travers du défilement. Lorsque les dimensions du produit sont très irrégulières, le chauffage MO est d’emploi plus aisé que le chauffage HF, car celui-ci nécessite l’emploi d’électrodes parfaitement adaptées à la forme du produit pour assurer un chauffage homogène.

4- Puissance totale de l’installation Les générateurs de fréquences radio peuvent être construits avec une puissance supérieure à 900 kW. Les générateurs à micro-ondes (915 MHz) sont limités à 90 kW. La limite pour les générateurs a 2450MHz se situe autour de 10 kW. Dans le cas de grandes installations micro-ondes, plusieurs générateurs sont utilisés. La puissance totale de l’installation limite l’utilisation des micro-ondes. Pour les installations de puissance modeste (< 5 kW), les MO donnent généralement satisfaction. Si la puissance dissipée excède 50 kW, il est souvent plus judicieux et moins onéreux de concevoir une installation HF (jusqu’à 900 kW).

5- Coûts d’investissement L’aspect économique impose de façon générale la nécessité d’utiliser les HF et les MO pour des applications à forte valeur ajoutée même si elles donnent satisfaction au plan technique, car les investissements sont élevés. Les caractéristiques comparées des deux types de chauffage sont regroupées dans le tableau suivant :

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IV- APPLICATIONS INDUSTRIELLES Chauffage hautes fréquences

1- Applications dans l’industrie du papier-carton

Le séchage est une opération fondamentale dans la fabrication du papier. Sur une

machine à papier, l'eau est d'abord éliminée par pression, puis par séchage sur des

rouleaux sécheurs chauffés à la vapeur. L’énergie thermique nécessaire au séchage

est très importante et ne saurait être apportée en totalité, sauf cas exceptionnel, par

chauffage diélectrique haute fréquence. Cette technique peut en revanche constituer

un chauffage d'appoint en des endroits judicieusement choisis d'une machine à

papier.

a) Chauffage rapide en début de machine à papier

Le chauffage diélectrique haute fréquence est utilisé pour la montée en température

rapide en début de sécherie. Cette installation remplace alors le ou les premiers

cylindres sécheurs de la machine à papier. L'intérêt d'une telle installation réside dans

l'augmentation de la productivité qu'elle peut apporter, mais cette conception n’a

jusqu’ici connu qu'une diffusion limitée.

b) Correction du profil d’humidité

La correction du profil d'humidité par chauffage diélectrique connaît en revanche

un développement plus large. Le papier présente en effet souvent en fin de sécherie

des variations importantes du taux d'humidité dans le sens transversal. Or, une

répartition irrégulière de l'humidité dans la bande de papier conduit à une diminution

de la qualité.

Dans la plupart des installations, le papier est surséché afin de s'assurer que les

pointes d’humidité ne dépassent pas la limite de tolérance commerciale. Il est même

souvent prévu une réhumidification après le surséchage. Ce système augmente de

façon notable les coûts de fabrication, en particulier les frais d’énergie et ceux liés au

surdimensionnement des équipements (surfaces au sol supplémentaires, entretien ...

24

) d'autant plus que le rendement des cylindres sécheurs placés en fin de sécherie est

faible.

Le chauffage diélectrique haute fréquence permet en revanche grâce à son effet sélectif de corriger le profil d'humidité du papier en fin de sécherie et se substitue alors à un ou plusieurs rouleaux finisseurs chauffés à la vapeur ou à l'électricité (chauffage par résistances). L'eau qui possède un facteur de pertes environ 20 fois plus élevé que celui du papier sec absorbe en effet beaucoup plus d'énergie que les parties sèches, s'échauffe rapidement et s'évapore à la surface de la bande de papier.

2- Applications dans les industries alimentaires

a) Gammes d'applications

Le chauffage diélectrique a trouvé plusieurs applications dans les industries

alimentaires, chauffage des grains de café ou de cacao afin de faciliter leur

torréfaction, séchage de sucre comprimé dans des moules, chauffage de blocs de

chocolat, destruction de parasites dans les farines, semoules ... ainsi que, dans une

industrie annexe, le séchage de feuilles de tabac.

Ces applications restent toutefois limitées et c'est surtout la cuisson finale de

certains biscuits qui connaît un développement assez important.

b) Cuisson finale des biscuits

Les biscuits produits industriellement sont généralement cuits dans des fours

continus à tapis chauffés par des résistances ou des combustibles, techniques

exigeant moins d'investissements qu'un four de cuisson à chauffage diélectrique

haute fréquence.

La température à cœur en début de cuisson est atteinte très rapidement et le

chauffage diélectrique ne présente donc que peu d'intérêt dans cette phase. Dans la

dernière partie de la cuisson en revanche, le produit est entouré d'une croûte plus ou

moins colorée qui constitue un isolant thermique.

Pour abaisser la teneur en eau à l'intérieur du biscuit en dessous de 5%, il faut alors

satisfaire deux exigences contradictoires, une coloration qui ne soit pas excessive de

la surface externe du biscuit et une dessiccation interne aussi poussée, rapide et

régulière que possible. Or, une augmentation de la température d'un four

conventionnel pour accélérer l'élimination de l'eau risque de conduire à une

coloration trop forte, voire une carbonisation des biscuits. Il faut alors travailler

avec des fours de longueur importante pour éviter une température excessive néfaste

à la qualité des produits et accepter un accroissement de la durée de la cuisson. Les

fours classiques peuvent ainsi atteindre 60 à 90 m de long.

25

Le chauffage diélectrique, qui permet de réduire la teneur en eau à l'intérieur du

produit indépendamment de sa coloration superficielle, présente alors un intérêt

évident; la durée de la cuisson et la longueur des fours sont toutes deux diminuées.

De plus, la puissance dissipée à l'intérieur du produit étant d'autant plus importante

que celui-ci contient plus d'eau, le profil d'humidité tend à s'égaliser en travers de la

bande transporteuse et les imperfections d'un four classique dont le réglage fin est

toujours délicat sont ainsi corrigées; cette réduction de l'humidité des produits finis

et sa faible dispersion entraînent une meilleure conservation des produits.

Ainsi, par exemple, dans une ligne de fabrication de biscuits où le séchage final

requiert l'élimination de 80 kg/h d'eau (réduction de 3% environ du taux

d'humidité), un système de chauffage diélectrique haute fréquence de 5 m de long

remplace-t-il 30 m de four traditionnel. La puissance haute fréquence est de 80 kW

et la fréquence de 27,12 MHz. La consommation spécifique est de l'ordre de 1,2 à

1,4 kWh/kg d'eau évaporée et l'économie d'énergie primaire est de 30% environ par

rapport à un four conventionnel à combustible. Bien que le prix du matériel soit

deux fois plus élevé en chauffage diélectrique qu'en chauffage à combustible,

l'investissement global, en tenant compte du coût du terrain et de celui des locaux

bâtis, est pratiquement le même dans les deux cas alors que le coût d'exploitation et

les avantages qualitatifs sont nettement en faveur du chauffage diélectrique.

3- Applications dans l'industrie de la transformation des matières

plastiques

C'est sans doute dans l'industrie de la transformation des matières plastiques que le

chauffage diélectrique haute fréquence a connu l'essor le plus important. Il a, en

effet, permis non seulement de réaliser économiquement des opérations de

chauffage, mais également de créer des produits nouveaux dans les domaines de la

maroquinerie, des jouets, des emballages, des pièces industrielles, de la chaussure,

des articles de sports, des articles ménagers et d'ameublement, de la confection ...

Deux applications ont surtout bénéficié de cet apport, le préchauffage des matières

à mouler thermodurcissables et le soudage. Certains plastiques ne peuvent toutefois

être chauffés par hystérésis diélectrique haute fréquence car leur «facteur de pertes»,

er tg δ est trop faible, inférieur à 0,001 (polystyrène, polyéthylène,

polytétrafluoroéthylène ...).

a) Préchauffage des plastiques thermodurcissables

Le chauffage diélectrique assure un réchauffage rapide à cœur des pastilles et des

26

poudres thermodurcissables. Il est donc possible d'introduire dans les moules un

matériau dont la température uniforme dans toute la masse est voisine de celle de

polymérisation et de les presser pour obtenir les objets désirés.

La vapeur d'eau et les produits de réaction s'échappent librement et il n'y a pas de

formation de soufflures. La puissance mécanique des machines est réduite car la

pression est uniformément transmise. Le temps de moulage est de plus diminué dans

de fortes proportions, la matière étant malléable dans sa totalité et de manipulation

aisée puisque la température reste relativement basse. L'usure des moules enfin est

diminuée et la qualité des produits améliorée.

Ces procédés sont très répandus dans l'industrie des plastiques et sont utilisés pour

la production d'articles très divers. Il est possible, si la cadence l'exige, de construire

des installations fonctionnant en continu au défilé.

b) Soudage des thermoplastiques

La mise en œuvre très simple de ce procédé, l’excellente qualité du soudage obtenu, la rapidité de l’opération en font la technique idéale de soudage, presque sans concurrence. Le soudage diélectrique s’effectue, comme le soudage électrique des métaux, en appliquant à la fois une pression et une production de chaleur ; mais le soudage diélectrique est plus compliqué, car la pression doit être maintenue pendant le refroidissement ou, du moins, pendant la première partie de celui-ci. Dans certains cas, les électrodes peuvent être construites de façon à permettre, en plus, l’estampage, le découpage ou le poinçonnage, ce qui améliore encore la productivité. Les électrodes, usinées avec une grande précision, sont généralement en alliage de cuivre ou d’aluminium très dur. Le générateur haute fréquence est incorporé à la soudeuse pour les petites puissances, jusqu’à 5 kW environ, la longueur des connexions est ainsi réduite au minimum. Les puissances spécifiques utilisées varient de 500 à 2 000 kW/m2 de surface soudée ou encore de 10 à 20 W/cm3 de matière plastique en regard des électrodes.

Chauffage par micro-ondes

1- Applications des micro-ondes dans les industries de la

transformation du caoutchouc et des plastiques

Ces applications sont essentiellement constituées par le chauffage avant

vulcanisation du caoutchouc et le soudage des plastiques.

a) Industries du caoutchouc

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Le chauffage par micro-ondes est surtout employé pour les opérations de

préchauffage avant moulage sous pression et de chauffage des profils extrudés

jusqu'à la température de vulcanisation (durcissement du caoutchouc avec des

additifs à base de soufre), cette température étant ensuite maintenue par passage

dans un four électrique à résistances.

L'intérêt du chauffage par micro-ondes réside dans la montée très rapide en

température du caoutchouc dans toute sa masse; avec des techniques plus

traditionnelles, l'échauffement à cœur est en effet très lent car le caoutchouc est un

mauvais conducteur de la chaleur. De plus, pendant la montée en température, le

profilé passe par un état plastique; il est nécessaire que ce passage soit le plus bref

possible pour garantir une bonne stabilité dimensionnelle, exigence facile à satisfaire

avec les micro-ondes.

Les applicateurs micro-ondes utilisés sont généralement du type cavité résonnante

à 2450 MHz ou du type guide fendu replié, plus rarement du type applicateur à ondes

lentes. Une ligne d'une puissance de 5 kW micro-ondes et de 20 kW pour le four à

résistances (8 kW appelé en moyenne en phase de production, la puissance totale

n'étant utilisée que pour la montée en température du four) permet de traiter environ

100 kg/h de caoutchouc. Des lignes de 25 kW micro-ondes et de 45 kW pour le

four à résistances sont construites couramment et traitent de l'ordre de 500 kg/h de

profilés. La consommation totale (micro-ondes et résistances) d'une ligne de ce type

est de 0,15 à 0,17 kWh/kg de profilés, ce qui correspond généralement à une

économie d'énergie notable par rapport aux systèmes plus conventionnels.

b) Industries des plastiques

Certains plastiques présentent des pertes diélectriques importantes dans la gamme

des micro-ondes alors que ces pertes restent trop faibles en haute fréquence pour

produire un échauffement du produit. Il devient alors nécessaire de travailler avec

des micro-ondes d'autant plus que c'est le produit f.εr.tg δ qui intervient dans

l'expression de la puissance dissipée.

Ainsi pour le polyéthylène, le «facteur de pertes» εr.tg δ qui est très faible en haute

fréquence, égal à 0,0004 environ, atteint-il 0,005 à la fréquence de 2450 MHz. Le

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produit f. εr.tg δ est alors 1000 fois plus élevé à la fréquence 2450 MHz qu'à la

fréquence de 27,12 MHz et l'échauffement du polyéthylène par chauffage

diélectrique hyperfréquence devient possible. D'une manière plus générale,

l'échauffement des plastiques par micro-ondes devient possible dès que le «facteur

de pertes» est supérieur à 0,001.

Les applications les plus importantes des micro-ondes dans ce domaine sont la

soudure de feuilles de matière plastique et la polymérisation des résines sur tissus

enduits (araldite, isobutyrate ...).

Les soudeuses sont fixes ou portatives. Ces dernières permettent de souder des

feuilles pour la réalisation de tentes, de bâches, de serres, de ballons, de piscines,

d’emballages ... La puissance mise enjeu est faible, quelques centaines de watts à la

fréquence de 2450 MHz. La vitesse de soudage est de l'ordre de 1 m/mn et la

consommation d'environ 1 kWh pour 100 m de soudure. Ces soudeuses portatives

permettent également la réparation in situ des éléments déchirés ou troués.

2- Applications des micro-ondes dans les industries alimentaires

C'est sans doute dans les industries alimentaires que les applications des micro-ondes

sont les plus diversifiées et appelées à un développement important. Tous les

produits alimentaires contiennent en effet de l'eau en quantité importante et

présentent donc un «facteur de pertes» εr.tg δ élevé. Les micro-ondes peuvent être

utilisées pour de nombreuses opérations thermiques -cuisson, stérilisation,

pasteurisation, séchage, décongélation…- lorsque les méthodes plus classiques

donnent des résultats insuffisants ou en combinaison avec ces méthodes pour

améliorer leur efficacité.

a) La décongélation

La surgélation constitue un excellent moyen de conservation des produits

alimentaires à l'état brut. Néanmoins, pour pouvoir travailler et transformer ces

produits, il est ensuite indispensable de les décongeler. Cette décongélation doit

s'effectuer à une température légèrement inférieure à 0°C pour éviter tout risque de

contamination par des bactéries pathogènes (la réglementation de chaque pays en

définit les conditions) et d'altération de la qualité des produits.

Or la décongélation des denrées alimentaires surgelées nécessite plusieurs heures

ou plusieurs dizaines d'heures lorsqu’elle s'effectue dans ces conditions car la

conductivité thermique des produits surgelés est faible et il est impossible d'avoir

une température ambiante positive pour les raisons biologiques citées

précédemment.

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Afin d'augmenter la productivité de l'opération de décongélation et la souplesse de

l'appareil de production, il est donc indispensable de mettre au point des méthodes

plus rapides de décongélation des produits alimentaires. Les micro-ondes qui

chauffent les produits directement dans la masse représentent alors une alternative

intéressante aux méthodes conventionnelles puisqu'elles permettent de s'affranchir

des limites imposées par la conduction thermique et la température ambiante.

La glace pure présente un « facteur de pertes diélectriques » très faible, de l'ordre

de 0,003, ce qui provoque un échauffement très limité; cependant, même à basse

température les denrées alimentaires présentent des pertes diélectriques relativement

importantes car l'eau cristallisée contient de nombreuses substances et s'échauffent

donc assez facilement par micro-ondes. C'est en particulier le cas des viandes et des

poissons, mais aussi de nombreux autres produits alimentaires comme le beurre ou

certains produits végétaux.

La permittivité relative et l'angle de pertes varient toutefois avec la température et

croissent tous deux entre la température de surgélation (- 20°C) et la température de

fusion de la glace pure (0°C) avec une augmentation très importante entre - 5 et 0°C.

Cette évolution concomitante de εr et de tg δ a deux conséquences dont les effets

se renforcent mutuellement. D'une part, la profondeur de pénétration des micro-

ondes dans le produit à décongeler diminue au fur et à mesure que la température

s'élève, donc l'échauffement superficiel s'accroit. De l'autre, cet échauffement

superficiel tend à s'accentuer avec l'augmentation de température puisque le produit

εr.tg δ s'accroît. Un réchauffement excessif et même une cuisson partielle ou des

brûlures localisées sont donc à craindre en surface ou dans les parties minces du

produit.

Plusieurs moyens de supprimer ces risques de surchauffe existent. Les micro-

ondes ne sont d'abord utilisées que pour réchauffer les produits entre -20 et - 4°C

environ, ce qui réduit sans les éliminer les risques de surchauffe superficielle, mais

surtout limite la puissance installée, donc le coût d'investissement; l'énergie du

rayonnement hyperfréquence n'est en effet utilisée que pour apporter la chaleur

sensible, relativement limitée, nécessaire au réchauffage du produit et non la chaleur

latente de fusion de la glace, beaucoup plus importante. Afin d'éliminer totalement

le risque de surchauffe, la température ambiante dans le tunnel de décongélation est

maintenue à une température très faible, comprise entre - 20 et -10°C, par un groupe

de froid autonome: la consommation supplémentaire d'énergie est très limitée, 5%

environ, car l'air froid circule en circuit fermé et l'installation est très bien isolée

thermiquement; une autre technique consiste à asperger le produit avec de l'azote

liquide.

La décongélation finale est ensuite effectuée de façon classique, par exemple dans

une chambre froide ordinaire ou encore dans un bac chauffé par l'eau tiède de

refroidissement des tubes électroniques. Le produit peut également être travaillé

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directement sans décongélation totale, ce qui représente alors une économie

d'énergie importante et réduit considérablement les capacités de stockage. C'est cette

dernière solution qui est de plus en plus adoptée dans les industries alimentaires et

permet pratiquement de concevoir des lignes continues de fabrication.

Cette technique est employée pour la décongélation de saumons entiers, de blocs

de poissons, de longes de porc et de bœuf, de blocs de poulets et autres produits

carnés, de beurre ... et pourrait s'étendre à des produits végétaux; elle est également

en cours d'adaptation pour le traitement de grandes masses comme des quartiers

entiers de bœufs.

b) Le séchage des pâtes alimentaires

Dans cette application, les micro-ondes sont utilisées en combinaison avec un

séchage à air chaud traditionnel. Placée peu après le début du séchoir, la partie micro-

ondes accélère considérablement le séchage en favorisant la migration de l'eau vers

la surface où elle est entraînée par le courant d'air chaud. La longueur des séchoirs

et le temps de séchage sont souvent divisés par deux à trois et la consommation

globale d'énergie fortement réduite. Le produit obtenu ne croûte pas, ce qui permet

d'obtenir des pâtes à cuisson très rapide.

A titre d’exemple, sur une ligne produisant 900 kg/h de pâtes, la puissance installée

est de 50 kW micro-ondes. Sur une autre ligne produisant 1500 kg/h, la puissance

micro-ondes n'est toutefois que de 60 kW. La part dévolue aux micro-ondes varie

en effet d'une installation à l'autre. La fréquence utilisée est en général de 915 MHz

(en Amérique du Nord) car les pâtes se présentent en couches épaisses. Cette

technique s'est actuellement surtout développée aux États-Unis sur les lignes de

fabrication de pâtes courtes.

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CONCLUSION

Les recherches que nous avons menées nous ont permis de comprendre le

principe sur lequel est basé le chauffage par hystérésis diélectrique, d’en connaitre la

technologie de mise en œuvre et de savoir comment il est utilisé dans les industries

eut égard à ses avantages. Nous pouvons ainsi dire que l’apparition de cette

technique constitue une avancée très importante dans le domaine du chauffage

puisqu’elle effectue des opérations très difficiles à réaliser avec les autres techniques

de chauffage. Son coût d’investissement élevé reste néanmoins un obstacle majeur à

son expansion dans d’autres domaines d’activité.

Des recherches complémentaires devraient être menées pour rendre l’exploitation

de cette technique moins onéreuse.

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