Applications Industrielles

Les applications classiques de traitement thermique de matériaux diélectriques se heurtent à certains problèmes qui entachent la bonne marche de la production. Ces problèmes sont inhérents à la nature même des diélectriques (bon isolants et mauvais conducteurs thermiques) et au type de traitement (convection ou conduction).

Ceci aboutit à des performances médiocres. En effet, les objectifs premiers d’une plate forme industrielle résident dans :

L’utilisation des énergie dites radiantes parait être une bonne alternative à ces besoins et s’applique aujourd’hui dans une multitude de domaines très disparates. Toutefois, la mise en œuvre d’une installation radiante ou la modification d’une installation déjà existante, mais peu productive, au profit d’un traitement radiatif, se déroulera toujours selon le même principe :

Les arguments industriels en faveur de l’utilisation de procédés radiants sont multiples puisqu’une telle technologie permet des transferts d’énergie avec des densités de puissance importantes autorisant une grande rapidité de traitement, donc une grande vitesse de défilement sur la ligne de fabrication, ainsi qu’un encombrement réduit des machines. De plus, les énergies radiantes permettent de maîtriser la qualité des produits du fait de leur action sélective et précise, non sujette à l’inertie thermique et de grande pénétration. Cependant, ce type de procédé ne remplace pas complètement les applications classiques et viennent les compléter pour obtenir un meilleur rendement.

On pourra donc s’intéresser aux technologies existantes afin de voir que les applications réservées aux micro-ondes sont bien spécifiques et dépendent des paramètres du produit même à traiter mais aussi de l’environnement de la chaîne de production.

Technologie	Applications
Air chaud	Action à la surface des matériaux ,efficacité optimale lorsqu’il est combiné avec les IR.
Haute fréquence (1m-100m)	Transfert instantané de l’énergie dans le matériau. Grande homogénéité du traitement et rendement élevé.
Micro-ondes (1mm-1m)	Même performances que les hautes fréquences mais pénétration au cœur des matériaux plus faibles.
Infrarouges (0.4m m-1mm)	Transfert direct de l ‘énergie à la surface du matériau. Densité de puissance et vitesse de traitement élevées. Possibilité de pilotage de grande précision.
Ultraviolets (0.01m m-0.4m m)	Idéaux pour la polymérisation, réticulation ou stérilisation des matériaux conçus pour subir ce traitement.

Les micro-ondes produites par le générateur vont être appliquées sur le produit à l’aide d’un applicateur chargé de diffuser correctement l’énergie produite. Principalement, on note quatre sortes d’applicateurs :

Le choix de l’une de ces technologie va dépendre de la connaissance des caractéristiques diélectriques, des dimensions et de la nature du produit à traiter.

La solution la plus simple serait de placer directement le produit à l’intérieur d’un guide d’onde standard. Cependant, ceci impose des contraintes dimensionnelles ainsi que le problème de l’insertion dans le guide (On notera les dimensions standard des guides selon la fréquence utilisée : pour 2450 MHz 100mm x 45mm et pour 915 MHz 300mm x 15mm.). Pour cela, on peut utiliser un tube de quartz (transparent aux micro-ondes) donnant accès à la cavité dans lequel on pourra placer le produit à traiter. Cette méthode est ,par exemple, utilisée dans les expériences de frittage de céramiques du LGEF. Cependant, une telle méthode ne peut s’appliquer industriellement par faute d’automatisation possible.

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 gène pas la circulation des courants électromagnétiques dans le guide et le matériau se trouve placé dans un champ électrique maximal. 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. Cette méthode pourra s’appliquer, par exemple, au séchage de bandes de tissu, de fil ou de film photographiques. Pour les produits liquides, pâteux ou pulvérulents, on choisira la configuration du tube de quartz afin de pouvoir opérer un traitement continu et rapide.

Le fait de placer une charge à eau à la place du court circuit permet d’obtenir un champ électrique constant, sans réflexion de l’onde non absorbée en fin de parcours.

Toutefois, 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. En associant plusieurs guides à la suite, on pourra donc traiter des produits plus grands avec des épaisseurs plus importantes.

Pour le traitement de produits de formes et de dimensions variées, il sera préférable de procéder avec une cavité monomode ou multimode. Dans le cas d’un traitement précis et ponctuel, la cavité monomode sera très utile puisqu’elle permet de connaître avec précision la répartition du champ électromagnétique. Dans le cas d’un applicateur cylindrique monomode, on montre que le champ électrique est parallèle à l’axe du cylindre et est maximum sur cet axe. De plus, il est nul sur les parois, ce qui permettra de traiter des objets filiformes avec efficacité.

Les cavités multimodes sont des cavités dans lesquelles le champ est brassé à l’aide de plaques de métal mobiles, comme dans les fours domestiques. Ceci contribue à créer une répartition du champ électrique, donc de l’énergie utile, aussi uniforme que possible. On pourra donc appliquer cette méthode au traitement simultané de plusieurs produits.

Utilisés pour le traitement thermique de produits transférés sur un tapis. Ils s’appliquent aux opérations de décongélation, de cuisson, de pasteurisation, de séchage …

	Si la taille du produit est importante, on préférera le faire défiler progressivement sous des guides d’ondes rayonnants. La puissance transmise au produit sera répartie sur les différents guides de façon à obtenir un traitement homogène. Ce procédé s’applique a un grand nombre de produits de formes et de tailles diverses, il permet une certaine modularité à la machine et sera donc généralement employé en réalisation industrielle.
On peut également utiliser une cavité multimode avec des brasseurs d’ondes si l’on veut opérer un traitement identique pendant un certain temps. L’intérêt des cavités monomodes résidera toujours dans le traitement ponctuel des produits et on pourra chauffer précisément des matériaux fins et longs (La société MES utilise ce procédé pour le traitement thermique des profilés de caoutchouc.).

Afin de s’appliquer au plus grand nombre de traitement, ces tunnels peuvent être associés avec un générateur d’air chaud ou un générateur de vapeur. Le nombre d’applicateurs et la puissance des générateurs sont définis en fonction de l’éventail de traitements que la machine sera amenée à effectuer.

Il y a quelques normes à respecter au sujet des tunnels standards quant à la taille des produits (5mW/cm² à 5cm d’une issue). En effet, on dispose à l’entrée et à la sortie de la cavité des pièges d’ondes. Leur rôle est de prévenir toute fuite d’ondes vers l’extérieur pouvant conduire à une perturbation de l’environnement de la machine. Les pièges d’ondes sont constitués de filtres absorbants refroidis par eau. Leur dimension dépend directement de la taille de l’ouverture destinée au passage des produits. Par exemple, en standard, une ouverture de 5cm engendrera un encombrement longitudinal de piégeage de 50cm. Pour des produits plus importants, une étude spéciale sera réalisée.

Largeur du tapis : 400 et 600mm Epaisseur du produit : jusqu’à 50mm Epaisseur supérieure : sur demande Vitesse de défilement variable Nombre d’applicateurs : 6 ou 10 Extracteurs des vapeurs ou des fumées	Nombre de modules	Puissance M.O (kW)	Longueur	Largeur
	6 x 1200 W	7.2	3.20m	1.40 m
	6 x 2000 W	12	3.20 m	1.40 m
	10 x 1200 W	12	4.00 m	1.40 m
	10 x 2000W	20	4.00 m	1.40 m

Pour les produits pâteux, visqueux ou liquides ainsi que pour les produits pulvérulents, on utilisera un tube transparent aux micro-ondes dans lequel le produit sera transféré à l’aide d’une pompe ou d’une vis métallique. La température du produit dépendra de la puissance imposée et du temps de séjour dans le tube. Ce système permet une grande homogénéité de traitement sans croûtage superficiel du produit et sera par exemple appliqué au chauffage de viandes en morceau, de graines, de déchets broyés …

Les pertes thermiques qui apparaissent dans les matériaux sensibles aux micro-ondes, l'eau par exemple, ouvrent la voie à de nombreuses applications de séchage.

Elle est gouvernée par deux mécanismes : transfert de chaleur et transfert de masse. Le matériau à la température T, d'humidité pondérale m, est exposé à un flux d'air à la température Ta supérieure à T, et de pression partielle Pa.Par définition, on a Pa< Pvs , Pression de Vapeur Saturante. Il apparaît une élévation de la température de surface Ts , et donc de la pression de vapeur saturante Pvs (Ts) , au contact de l'air. Avec Ts< Ta , le gradient de pression Pvs(Ts) - Pvs(Ta) entraîne l'apparition d'un flux de chaleur dirigé de la surface vers l'écoulement de l'air.

Cette évaporation initiale fait baisser la teneur en eau ms des couches superficielles : il en résulte une augmentation de la pression capillaire Pcs en surface, et la réalimentation de ces couches superficielles par le gradient de pression capillaire. Le débit d'évaporation est constant tant que le pompage capillaire assure une réhumidification de la surface suffisant à l'évaporation. Ensuite, les couches superficielles s'assèchent, la diffusion se ralentit, et la vitesse de séchage diminue.

Le système d'équations des différents transferts évoqués ci- dessus a été étudié pour l'utilisation de micro-ondes (travaux de Lefeuvre). Ainsi, l'application couplée des micro-ondes et d'une source de chaleur traditionnelle permet de maîtriser le gradient de température, et d'aboutir à un profil d'humidité pratiquement plat.

Représentons ces considérations en partant des inconvénients du traitement par air chaud. La courbe 1 représente le pourcentage d'eau contenu dans le matériau en fonction du temps d'application. Pour l'air chaud, on constate que la réaction est plutôt lente à démarrer et que le matériau ne sera jamais tout à fait sec dans un temps convenable. Si on envisage un traitement micro-ondes continu, la réaction est très rapide et le séchage est de meilleure qualité. En effet, les parties déjà sèchent absorbent moins les micro-ondes et ne s'échauffent presque plus.

On peut aussi s'intéresser à l'évolution de la température du matériau en fonction du temps (courbe 2). On observe généralement un croûtage rapide du produit dés qu'il est sec. Ceci vient du fait que la température du matériau passe subitement de la température humide de l'air (q h » 35 °C) à la température sèche de l'air qui n'est autre que celle de l'étuve de traitement.(q e » 90-100 °C). De plus, lorsque ce phénomène se produit, l'intérieur du matériau n'est pas suffisamment sec et le séchage est de mauvaise qualité. Afin d'éviter ce phénomène de croûtage du au fait que les parois sèchent plus vite que l'intérieur du matériau, on effectue régulièrement une réhumidification du produit, par exemple en opérant le traitement dans une atmosphère de vapeur. Cette solution est longue du fait qu'elle dépend de l'inertie thermique du matériau mais aussi de celle de l'enceinte. Elle se traduit par un séchage de qualité moyenne et peu homogène. Deux cas se présentent pour le séchage par micro-ondes selon les caractéristiques diélectriques du matériau à traiter (courbe 3).

Le procédé micro-ondes échauffe l'eau au cœur du matériau et en vaporise une faible partie à l'intérieur. Ceci permet d'effectuer le séchage à une température d'environ 100 °C. Le traitement est plus rapide et plus homogène si les partie déjà sèches n'absorbent plus les micro-ondes et ne s'échauffe presque pas. Dans ce cas, la température du corps diminue progressivement avec la concentration d'eau et le séchage se termine rapidement. Par contre, si le matériau a des propriétés absorbantes, la température ne cesse d'augmenter et il peut se produire un emballement thermique dont le résultat est la destruction même du produit.

On constate donc ici l'importance des études préliminaires du matériau qui définiront la faisabilité du traitement.

Tout d'abord pour une question économique. En effet, on estime la puissance nécessaire pour évaporer 1kg d'eau à 1kW. Si on considère un industriel ayant besoin d'évacuer 1 tonne d'eau, il aura donc besoin d'une puissance de 1MW. Sachant que le prix du kilowatt de micro-ondes est compris entre 10 et 20kF le coût d'une telle installation n'est pas envisageable. La solution à ce problème réside dans la combinaison des deux techniques de traitement. Plusieurs solutions s'offrent à nous:

On peut d'abord envisager d'appliquer les micro-ondes en début de traitement (courbe 5) afin d'accélérer la réaction. On procédera ensuite au traitement classique par air chaud. La solution d'appliquer les micro-ondes en fin de traitement parait plus avantageuse du fait qu'elle supprime la longue période de finalisation du séchage et permet d'obtenir une meilleure qualité de produit (courbe 4). Une troisième solution consiste à appliquer les micro-ondes par intermittence afin de cibler les parties les plus contraignantes de la cinétique d'air chaud. on pourra de cette façon supprimer l'inertie thermique en début de traitement et accélérer le processus en fin de traitement.

L'utilisation d'une source complémentaire telle que l'air chaud se révèle indispensable afin d'évaporer l'eau qui parvient à la surface du produit. En effet, la pellicule d'eau qui se forme absorbe une partie des micro-ondes et chauffe le matériau, ce qui peut créer des effets indésirables en surface et une déperdition au niveau de la pénétration dans le matériau. Pour des raisons économiques, on préfère donner ce rôle à des procédés classiques tels que la ventilation, le séchage sous vide ou le chauffage direct.

Exemple comparatif entre un traitement micro-ondes et un traitement par chaleur radiante :

Le séchage par micro-ondes peut s'orienter vers de multiples domaines industriels, depuis la papeterie, l'imprimerie jusqu'au bâtiment en passant par le textile.

Pour le séchage du papier, l'emploi des micro-ondes peut amener un gain de temps de 100% et une économie énergétique de 50%. Il faut cependant noter la concurrence de la part de la Haute Fréquence (H.F.) dans ce secteur, en raison d'une régulation du profil d'humidité éventuellement plus performante.

Le séchage de céramiques et moules de fonderie par micro-ondes s'est aussi développé, cette forme d'énergie pouvant alors permettre une plus grande propreté, et une diminution des dégagements gazeux. Une installation réalisée dans ce domaine est proposée ci-après. Elle présente une structure classique, avec l'association d'un magnétron et d'un guide d'ondes au niveau d'un tunnel.

De nombreux procédés sont utilisés dans cette application, mais les micro-ondes offrent une option nouvelle et avantageuse.

La décongélation par flux d'air peut être utilisée, mais nécessite des volumes d'air importants, pour compenser une faible capacité thermique.

Le point fort de la décongélation en bain d'eau se trouve dans une très bonne transmission thermique de surface.Cependant, à son désavantage, il faut noter le mauvais aspect du produit et la perte de certains constituants par dissolution.

Un procédé concurrent est la décongélation sous vide :L'aliment est introduit dans une enceinte sous vide où se trouve de l'eau à ébullition ; la vapeur, se condensant sur la surface du produit, lui cède sa chaleur latente en passant en phase liquide. L'odeur et la saveur sont mieux conservées que par les méthodes précédentes, mais la présentation présente des défauts.

Le principe de la décongélation par micro-ondes s'observe directement sur un four classique. L'énergie est appliquée par intermittence afin de réchauffer progressivement les petites poches d'eau liquides situées au cœur du produit. On ne peut pas effectuer un traitement continu sous peine de créer de trop grands écarts de température et de pression au sein du matériau, ce qui conduirait à des dommages irrémédiables. De plus, l'eau migrant à la surface risquerait d'absorber les micro-ondes et de cuire le produit. Un certain temps de repos entre deux applications est donc nécessaire.

La décongélation par micro-ondes a pour premier avantage sa rapidité : elle ne demande que quelques minutes au lieu de plusieurs heures.

Par ailleurs, un tunnel UHF s'intègre parfaitement dans une chaîne de production en continu. Ainsi, par exemple, l'ensemble des opérations de décongélation, tranchage, conditionnement et recongélation de la viande peut s'effectuer en moins de 30 min. Dans cet enchaînement de tâches, les micro-ondes permettent d'atteindre avec précision la température idéale pour le tranchage (-5 à -3 °C).

Enfin, les coûts d'exploitation sont peu élevés, et des économies de main-d’œuvre sont réalisées par réduction de la manutention. Ainsi, en dépit d'un investissement important au départ, les micro-ondes constituent une solution économiquement intéressante.

Les établissements CHILLET produisent différents types de saucissons traditionnels, et se sont adressés à la SAIREM pour la conception d'un système de décongélation et tempérage de viande. Leur partenariat a abouti à l'installation à micro-ondes suivante.

En règle générale on utilise la fréquence 2,45 GHz, bien que d'autres fréquences soient aussi disponibles. Si l'absorption d'énergie est insuffisante il suffit d'ajouter des charges.

Les progrès réalisés sur la maîtrise des techniques à micro-ondes ouvrent paradoxalement des débouchés principalement avec les ondes hautes fréquences.

Si les fréquences conventionnelles des micro-ondes 1 à 2 GHz, conviennent bien à la cuisson des caoutchoucs, à la décongélation des aliments ainsi que pour beaucoup d'applications chimiques, elles s'adaptent difficilement à la cuisson de grosses pièces composites. La profondeur de pénétration de l'onde dépend du potentiel d'absorption du matériau et de la longueur d'onde. On utilise donc pour ces grosses pièces une longueur d'onde plus grande. L'abus de langage introduit ces ondes hautes fréquences (de 13 à 40 MHz) dans les micro-ondes car le principe physique reste le même.

L'utilisation des micro-ondes dans l'automobile et dans l’industrie en générale est due à la rapidité du chauffage. En effet les temps de cycles des de fabrications de pièces peuvent être ainsi divisée en moyenne par deux ou trois.

On retrouve ces procédés dans les grands noms de l'automobile française Renault, PSA et aussi Saint-Gobain Vitrages . Dans un autre domaine Legrand le fabricant de matériels électriques effectue le préchauffage des coffres de composites par ondes HF avant la mise en presse.

Cette pièce de carrosserie est composée de deux parties composites de 3mm d'épaisseur chacune : la peau et le renfort, il faut les assembler par collage.

La colle industrielle choisie lors d’une étude préliminaire est un adhésif polyuréthanne bicomposant XPU 47.26 AC : mélange de 2 composants d’on un adhésif particulièrement adapté à l’assemblage structural des matériaux composites (adhérence directe sans traitement de surface). Le problème réside en fait dans le dosage du chauffage et l'énergie absorbée par la colle.

La solution retenue est le chauffage par micro-ondes assisté par une technologie 50 W .

La technologie 50 W a été réalisée au début des années 80, par EDF et la société SAIREM. Leur but était de standardiser cette technique de chauffage par micro-ondes afin de la rendre plus efficace.

L’objectif de cette technologie est la réduction des pertes : ceci est réalisé par adaptation automatique d’impédance. La conception de l'installation 50 W est modulaire. Chaque bloc est réalisé dans un boîtier indépendant, ces blocks sont ensuite reliés entre eux par des câbles coaxiaux. Cette conception modulaire permet une standardisation des générateurs est de systèmes d’adaptation met offre aussi de nombreux avantages :

Pourquoi 50W ? 50W est l’impédance standard des lignes coaxiales et de nombreux appareil électrique, on limite avec ces adaptations d’impédance des pertes par réflexion.

L'installation industrielle entièrement automatisée, et un doublement de chacun des composants permet une sûreté de fonctionnement.

Composant (nombre)	Coûts
Générateur 20 kW (2)	320 kF
Discriminateur (2)	15 kF
Boite d’adaptation (2) refroidie par circulation d’eau gérée par électronique	160 kF + 32 kF
Commande de boite (2)	30 kF
Applicateur (1) *	1200 kF
Lignes coaxiales et commutateur 50 W	40 kF
total	1 700 kF

* L'applicateur est le seul appareil qui est spécifique à l'installation donc non-standard.

	Procédé air chaud (classique)	Procédé Micro-ondes
Nombre de Générateur	1 four tunnel	2 Générateur HF
Puissance installée	360 kW gaz + électrique	2 x 20 kW électrique
Consommation	8 640 kWh	120 kW
Sécurité/panne	Non	Oui
Nombre d'applicateurs	20	2
Refroidissement des applicateurs	Oui	Non
Manutention	Robots + transporteur	Robots
Place occupée	5 fois	1 fois

Coûts d'exploitation
Energie	» 1 000 F/jour	» 60 F/jour

Coûts d'investissements
Génie civil	> 1 000 kF
Four/Générateur HF	2 000 kF	2 000 kF
Applicateurs	3 000 kF	1 500 kF
Total	> 6 000 kF	3 500 kF

Le procédé par micro-ondes apparaît comme le plus avantageux. Les points forts sont

Le tout cumulé représente une diminution de moitié des investissements. Cependant il faut tenir compte de la spécificité, c'est une production de grande série.

Le séchage de colles, encre et vernis sur support papier par chauffage diélectrique.

Comme pour le séchage micro-ondes normal, le problème réside dans l’absorption d'énergie par l'eau et par le matériau anhydre. Au début l'eau va presque absorber toute l'énergie, mais au fur et à mesure du processus la quantité d'eau va diminuer. Deux cas se présente alors :

Il est donc impératif de connaître le comportement sous champ et en température de chacun des constituants. En règle générale le substrat ne possède pas de fortes propriétés diélectriques, et on assiste à une auto régulation du processus. Le séchage possède aussi un autre avantage, les parties humides sont automatiquement traitées en priorité. Pour éviter l'affaiblissement du rendement Il suffit d'alimenter en continu l'enceinte avec le matériau humide, cette propriété est d'ailleurs essentiel pour l'élaboration d'un processus on line.

Dans notre exemple de séchage de colle sur papier, Il est cependant nécessaire d'effectuer un balayage d'air énergique afin d'évacuer les vapeurs avant qu'elles ne se recondensent sur les parties froides. Outre ces données technologiques, il est impératif de gérer correctement l'énergie absorbée afin d'éviter certains problèmes dus aux cinétiques réactionnelles.

La différence entre le chauffage classique et le chauffage micro-ondes est le transfert d'énergie. Dans le chauffage micro-ondes c'est le matériau qui décide de l'absorption d'énergie, de plus ce transfert se fait sans inertie ainsi un faible volume peut absorber instantanément plusieurs Kilowatts. Dans ces conditions il est impératif d'apporter juste la puissance nécessaire afin d'éviter les déboires. Un problème de cinétique chimique qui peut être rencontrer lors du séchage des colles est le suivant. Si le matériau humide absorbe trop de puissance, et génère plus de vapeur qu'il ne peut en laisser s'échapper, on assiste à des montées en pression, qui peuvent éclater structure, du moins faire apparaître des bulles ou des gondolements.

Type de colle	Puissance incidente (W)	Epaisseur du dépôt (mm)	Matière évaporée (g/heure)	Collage
A	4 000	12 à20	1746	bon
B	4 000	4 à 8	1368	bon
C	4 000	10 à 13	612	bon
D	4 000	7	1260	bon
E	5 000	7	1836	bon

La sélectivité des parties à sécher évite que le support monte en température ce qui conduirait à un surséchage de ce dernier.

On a évité toute déformation du support (gondolage, tuilage, retrait). De plus le réglage de tirage du papier ne sont plus retoucher, ce qui indique que le retrait dans la largeur est quasiment nul.

La différence essentielle par rapport au chauffage classique réside dans l'absence d'inertie du chauffage micro-ondes. Ainsi il est possible avec le chauffage micro-ondes de contrôler parfaitement les courbes d'échauffement.

Voyons par exemple l'influence de l'échauffement sur la sulfonation du naphtalène. Cette réaction relativement rapide (quelques minutes) est le cas idéal de l'utilisation des micro-ondes. Elle conduit à la formation de deux produits, les acides naphtalène sulfonique 1 et 2 donc les concentrations dépendent de la vitesse de chauffage.

Mais les micro-ondes peuvent aussi servir pour des réactions isothermes. Un bon dosage de l'énergie émise permet de maintenir la température constante les micro-ondes sont ainsi les garants de l'isothermie. Cependant les méthodes classiques (de bain d'huile) sont le plus souvent satisfaisantes car les vitesses de réaction sont supérieures aux temps d'échauffement classique. Ainsi, l'utilisation d'autoclaves (dispositif permettant la monter en pression des réactions) permet de mettre à profit les micro-ondes. En effet, les autoclaves permettent une monté en pression qui souvent accélère la réaction. De plus les méthodes classiques sont gênées par l'inertie thermique des autoclaves et les micro-ondes semblent être une bonne alternative.

C'est en1975 que les premières minéralisations par micro-ondes ont eu lieu. A l'intérieur de récipients fermés, avec valve de sécurité, on chauffe la solution avec des micro-ondes, ce contrôle à la fois de la pression et de la puissance émise par le générateur permet une rapide monté à de hautes températures et de diminuer ainsi fortement le temps de mise en solution.

Pour la mise en solution des produits organique le procédé micro-ondes permet de ne pas avoir recours au HClO4 tout en diminuant sensiblement le temps de minéralisation. Prenons par exemple le temps de minéralisation des produits alimentaires d'origine animale :

Un procédé d’extraction d’huiles essentielles des végétaux a été breveté par l’association Archimex à Vannes (Morbihan). Le principe est basé sur l’ébullition brutale de l’eau et sur un vide partiel ; le flux de vapeur entraîne avec lui les huiles du végétal. La séparation ultérieure se fait par des techniques classiques. Mais l’avantage principale réside dans la non utilisation de solvant qui posaient jusqu’alors des problèmes de déchets. Ce brevet intéresse évidemment beaucoup les industriels de la pharmacie, des cosmétiques et de l’agro-alimentaire.

Il existe de nombreuses autres applications dans le domaine chimique, d’autant plus que de nouvelles apparaissent sans cesse, et les anciennes se développent et s’améliorent. Il faut aussi remarquer que la compréhension des processus requiert parfois des connaissances sur la chimie assez approfondies.

De nombreux procédés thermiques sont utilisés pour détruire rapidement les déchets. L'incinération est la solution la plus communément utilisée. Mais parmi les autres traitements possibles est le traitement par micro-ondes. En effet, les caractéristiques intéressantes des micro-ondes apparaissent encore : action au cœur de la matière, rapidité et homogénéité du traitement.

Les déchets industriels qu'il sera intéressant de traiter par micro-ondes sont les sols contaminés, les déchets contenant des métaux lourds, le charbon actif à régénérer et les déchets hospitaliers.

Le but est d'obtenir la désorption des produits contaminants d'un sol, c'est-à-dire la libération du reste du sol des molécules à éliminer. On génère pour cela de la vapeur d'eau qui va entraîner les polluants volatils contenus dans le sol.

Une étude à montré les avantages de la technique micro-ondes par rapport aux techniques d'incinération classiques, avantages qui sont tout d'abord d'ordre économique :

- il est possible de récupérer les contaminants car ils ne sont pas détruits,

- on évite la transformation de matériaux organiques en ions métalliques toxiques (sulfate de plomb qui produit de l'oxyde de plomb par incinération), ions métalliques qui sont beaucoup plus difficiles à supprimer après coup,

- on évite l'évaporation de métaux lourds par l'incinération qui les porte à très haute température,

En utilisant un principe assez proche, une entreprise américaine, CEM, commercialise un ensemble composé d'un four, d'une imprimante et d'une balance analytique. Cet ensemble permet de brûler un produit et d'analyser directement la composition des cendres. Ce système fait ainsi gagner plusieurs heures pour la mesure du taux de cendres, ce qui est très intéressant dans l'industrie chimique, agro-alimentaire ou du plastique, car on peut faire les analyses en ligne. Le four seul coûte environ 65 000 F HT.

Le charbon actif permet de recycler des liquides, de l'eau par exemple, chargés en particules. Ce charbon est d’un prix assez élevé, il faut donc chercher à le régénérer, ce qui se fait généralement par des procédés de désorption thermique. Des travaux sont en cours pour étudier la régénération par micro-ondes, qui permettrait la régénération sur site, ce qui apporterait un coup plus faible et la disparition des risques liés au transport.

Une société française, STH, a développé le procédé STHEMOS de désinfection des déchets hospitaliers. Les matériaux contaminés sont portés à une température de 100°C pendant 15 à 20 minutes. Ces conditions de temps et de température permettent la désinfection des micro-organismes pathogènes susceptibles d'être présents dans des déchets hospitaliers. Cette technique évite donc le tri des déchets et ceux-ci, en fin de traitement, se présentent sous forme d'un granulat homogène. Ils peuvent ainsi être éliminés avec les déchets domestiques. Les étapes du traitement sont les suivantes :

- vaporisation par injection de vapeur à 150°C pour humidifier et chauffer les déchets,

La seule technique permettant actuellement d'immobiliser les métaux lourds contenus dans le sol est la vitrification.

La vitrification consiste à ajouter du verre en fusion au déchet afin de le stabiliser et de le rendre inerte. Ce procédé est très gourmand en énergie puisqu'il nécessite de porter le verre à une température de 1000 à 1400°C.

Le traitement par micro-ondes est moins efficace que la vitrification, mais nécessite moins d'énergie. Ce procédé est actuellement en phase de développement. Plus loin est expliqué un procédé permettant la vitrification de cendres d'incinération par micro-ondes.

L'incinération reste encore le procédé de réduction des déchets le plus utilisé. On a vu précédemment que les micro-ondes pouvaient remplacer l'incinération, mais ils peuvent aussi intervenir après le cycle d'incinération, en permettant la fusion des cendres d'incinération. Le CEA à développé un procédé de fusion de cendres d'incinération de déchets toxiques.

En effet, les cendres d'incinération, toxiques, sont minérales et ne peuvent ni être recyclées, ni être incinérées. On va donc chercher à stabiliser ces polluants soit en les noyant dans un ciment ou un liant organique, soit en les vitrifiant sous l'action de la chaleur. La vitrification est le procédé le plus efficace. L'originalité du procédé par micro-ondes est qu'il fonctionne en creuset froid, c'est-à-dire que la matrice n'est pas directement en contact avec le verre en fusion. En effet le socle du four est refroidi à l'eau de manière à figer le verre à son contact. Le verre en fusion repose donc sur du verre à basse température. On évite ainsi toute corrosion du creuset.

La particularité du four est que l'onde incidente arrive parallèlement à la surface du verre à chauffer, contrairement aux applications classiques où l'onde est perpendiculaire ou oblique. De ce fait, et bien que le four soit monomode, on obtient une grande surface de fusion et il n'y a pas de contraintes de dimension du matériau par rapport à la longueur d'onde.

Le générateur, de marque SAIREM, fonctionne à 915 MHz et est d'une puissance de 60 kW. Un guide d'onde a été adapté pour l'applicateur. Ainsi, l'installation permet de traiter une dizaine de kg de cendres par heure, avec un mélange composé de 50% de cendres et 50% de fritte de verre.

La démolition d'ouvrages est généralement faite par contraintes mécaniques (chocs), ou thermiques (découpage). Plusieurs procédés de démolition totale ou partielle par micro-ondes sont en étude. Le principe est celui du chauffage par pertes diélectriques, à savoir que le béton est un diélectrique et qu'il va réagir à l'application de micro-ondes. Un échauffement brutal de tout ou partie d'une construction va créer des contraintes internes à celle-ci. On distingue deux façons d'utiliser ces contraintes.

· Soit on applique les micro-ondes sur toute la pièce à détruire, ce qui va fortement la fragiliser, et accélérer la démolition. Ce procédé est donc simplement une aide, et l'irradiation se fera sur une grande surface, avec une puissance faible et pendant un temps important. L'ordre de grandeur de puissance est de 10 kW, ce qui permet de fragiliser une surface de 1m2 sur 20 cm d'épaisseur en 5 minutes environ.

· L'autre méthode met en œuvre une puissance importante, où l'échauffement sera brutal. La libération de la vapeur surchauffée sera brutale et entraînera avec elle de la matière. On va ainsi pouvoir pratiquer des saignées de 5 à 10 cm de large dans la paroi. On vise donc ici une démolition par découpage. La puissance ne doit pas être excessive afin de pouvoir contrôler les explosions à la surface du béton.

Il est possible d'utiliser l'interaction ondes-matière pour déterminer certaines caractéristiques des matériaux. L'interaction dépend très directement de la permittivité diélectrique e , qui est elle-même fonction des facteurs physico-chimiques intrinsèques du matériau. Ainsi, on réalise des capteurs micro-ondes qui vont mesurer le retard à la propagation et l'atténuation, ce qui va permettre de déterminer les caractéristiques diélectriques des matériaux, comme l'humidité, la température ou la densité. Les avantages de la mesure par micro-ondes sont la relative insensibilité aux atmosphères perturbées, un rayonnement non-ionisant et un contrôle sans contact. C'est pourquoi ce mode de contrôle est bien adapté aux produits en défilement sous forme de plaques de faible épaisseur. En associant plusieurs capteurs on peut aujourd'hui réaliser des caméras micro-ondes. Les mesures se feront soit en cavité résonnante soit en espace libre.

Dans ce cas, le passage du produit va modifier la fréquence de résonance ainsi que le coefficient de qualité du système dans la cavité. Cette modification va permettre de remonter facilement aux grandeurs désirées, la plus simple étant la masse sèche du produit, et par conséquent le degré d'humidité.

Ici, c'est la mesure du coefficient de réflexion et de transmission qui va permettre de remonter à la permittivité complexe et ainsi aux grandeurs recherchées.

La mesure d'une ou plusieurs grandeur ne nécessite pas une grande précision (de l'ordre de la dizaine de centimètres), mais des capteurs possédant une précision de quelques millimètres pourront permettre (dans un ordre croissant) la détection de défauts dans un produit, la localisation et même l'identification de défauts. Dans tous les cas il faut effectuer un compromis entre la résolution et les pertes dans le matériau. En effet le résolution augmente avec la fréquence, mais en même temps que les pertes et le coût des installations.

Les utilisations possibles des caméras micro-ondes sont les industries du bois et du papier. Dans l'industrie du papier, il est nécessaire de connaître le profil d'humidité des rouleaux. Des caméras micro-ondes pourraient permettre de le connaître avec une précision de l'ordre de 1% et une résolution de 1 cm. Il est envisageable également de faire de la mesure de taux d'humidité dans l'industrie du bois de charpente, et de la détection de défauts pour les bois de parement, l'avantage étant que les micro-ondes permettent de voir "à travers" le bois, et ainsi de détecter les nœuds qui pourraient fragiliser la pièce. De nombreuses autres applications sont envisageables, dans les composites, le textile et le cuir, la fabrication de la laine de verre.

Toutes ces applications ne sont pas encore mises en place car chaque application nécessite la mise au point d'un capteur particulier, et de plus la technique est assez mal connue et encore onéreuse.

Au Laboratoire de Génie Electrique et de Ferro-electricité de l’INSA (LGEF), on étudie une méthode de frittage des céramiques par micro-ondes. L’opération de frittage se résume en la fusion et au soudage de grains à haute température. En effet, on part d’une poudre (ferrites, alumine, ...) à laquelle on ajoute différents produits dont des liants. On porte ensuite ce mélange à haute pression puis on augmente la température jusqu’à obtenir la consolidation et la densité désirée. Cette méthode permet de minimiser la porosité et l’agrégat granulaire.

La méthode traditionnelle de frittage utilise un four classique afin d’amener progressivement la température à 1100 °C, à raison de 2 °C par minute. Ceci demande déjà un traitement d’environ 9h auquel on ajoute des traitements annexes comme le déliantage qui consiste à supprimer les résidus de liant subsistant dans la céramique. Le traitement global dure environ 15h et demande des coûts énergétiques élevés, ceci représentant un handicap certain en utilisation industrielle.

L’utilisation des micro-ondes pourrait s’avérer être une solution du fait qu’elle permet d’obtenir un chauffage rapide et homogène, sans inertie ni pollution. Le but des travaux réalisés au LGEF est tout d’abord de démontrer la possibilité d’opérer l’opération de déliantage à l’aide des micro-ondes. Le temps de déliantage pourrait ainsi passer de 6/7h à 15/20 min. Ensuite, ce sera sur l’opération de frittage même que seront portés les efforts.

Le principe utilisé est le principe du chauffage par pertes diélectriques. La puissance dissipée dans l’opération est alors de la forme K.E² si le matériau conserve ses qualités diélectriques. Tout le problème réside justement dans le fait que cette formule n’est pas toujours vérifiée, selon les matériaux et la température à laquelle ils se trouvent. Ceci peut se traduire par un chauffage non homogène, une puissance réfléchie élevée ou un emballement thermique non expliqués. En résumé, un diélectrique absorbe de l’énergie électrique et la dissipe sous forme de chaleur. Plus un matériau présente des pertes diélectriques, plus il est susceptible de s’échauffer sous l’effet des micro-ondes. Généralement, les matériaux à pertes diélectriques élevées sont des liquides. On utilise notamment les excellentes qualités diélectriques de l’eau pour la cuisson des aliments qui en sont composés en grande partie. Le fait que l’eau absorbe bien les micro-ondes est également utilisé dans la protection des circuits expérimentaux comme celui que nous allons voir plus loin

Le dispositif utilisé est semblable à celui utilisé dans le laboratoire CRISMAT, ISMRA & Université de Caen décrit dans l’article " Nouvelles frontières de l’usage des micro-ondes pour le frittage des céramiques " dont voici un extrait :

" L’étude des interactions onde-matière lors du chauffage en cavité micro-ondes a été réalisé à l’aide du dispositif schématisé par la figure 1. Ce dispositif est constitué d’un générateur micro-ondes de marque SAIREM délivrant une puissance maximale de 1kW, d’un guide d’onde rectangulaire (TE₁₀) et d’une cavité résonnante monomode TE₁₀₂ ( tronçon de guide d’onde limité d’un côté par un iris de couplage et de l’autre par un piston de court circuit ) dont la longueur est modulée ( afin de maintenir la résonance ) par le déplacement du piston court circuit au moyen d’un moteur pas à pas. La mesure des champs électromagnétiques et de la puissance réfléchie est effectuée à l’aide de sondes Hewlett Packard. La température de surface des échantillons , quant à elle, est mesurée par pyrométrie infrarouge. Le suivi et la régulation du chauffage sont pilotés par un ordinateur IBM PC.

Le choix d’une cavité résonnante monomode a été bas é sur la possibilité de déterminer les profils des champs électromagnétiques au sein de la cavité. [...] "

Les échantillons sont disposés dans un tube de quartz " ( matériau transparent aux micro-ondes) pour diminuer les contraintes mécaniques sur les échantillons et éviter la création d’arcs électriques entre ces derniers et les parois de la cavité ".

Plusieurs cas se présentent selon l’orientation spatiale du composant et selon ses caractéristiques géométriques par rapport à celles de la cavité :

On observe un chauffage par pertes diélectriques de la forme K.E², même à de très hautes températures

En effet, sa variation entraîne des courants induits qui conduisent à l’échauffement du matériau et peuvent même conduire à sa fusion sachant que la conductivité s augmente avec la température. Le dégagement de chaleur se fait par effet joule et on obtient un chauffage par induction.

Le matériau présente de bonnes caractéristiques diélectriques eu début de chauffage. Cependant s augmente avec la température et on retrouve un chauffage par induction.

Au niveau de la disposition spatiale, on peut chauffer des matériaux diélectriques en les disposant dans un maximum du champ électrique et on peut fritter les céramiques conductrices par induction en les disposant dans un maximum du champ magnétique.

L’uniformité du chauffage dépendra également de la géométrie du matériau et de son positionnement dans la cavité.

On constate donc ici qu’il est primordial de connaître les caractéristiques diélectriques des matériaux que l’on veut traiter par micro-ondes.

	Méthode classique	Méthode par micro-ondes
milieu ouvert	18 heures	35 minutes
milieu fermé	4 heures	30 minutes