constanta dielectrica complexa

20
1 UNIVERSITATEA DIN ORADEA ŞCOALA DOCTORALĂ Rezumatul tezei de doctorat - Conţinut - TEZĂ DE DOCTORAT Contribuţii privind omogenitatea câmpului de microunde în cazul aplicatoarelor rezonante, cu sisteme tip antenă fantă radiantă utilizate la procesarea termică a materialelor Conducător ştiinţific: Prof.univ.dr.ing. Teodor MAGHIAR Doctorand: Asist. Univ. Ing. Codruţa Lucaci (Muntean) Oradea 2009

Upload: lazar-ovidiu

Post on 27-Dec-2015

76 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

1

UNIVERSITATEA DIN ORADEA ŞCOALA DOCTORALĂ

Rezumatul tezei de doctorat - Conţinut -

TEZĂ DE DOCTORAT

Contribuţii privind omogenitatea câmpului de microunde în cazul

aplicatoarelor rezonante, cu sisteme tip antenă – fantă radiantă utilizate la procesarea termică a materialelor

Conducător ştiinţific: Prof.univ.dr.ing. Teodor MAGHIAR

Doctorand: Asist. Univ. Ing. Codruţa Lucaci (Muntean)

Oradea 2009

2

CUPRINS

INTRODUCERE……………………………………………………………… 4 Capitolul 1 – Constantele dielectrice ale materialelor.................................... 8 1.1. Constanta dielectrică complexă.................................................................... 8 1.2. Polarizarea în câmp de microunde................................................................ 9 1.2.1. – Polarizarea de orientare (dipolară).......................................................... 10 1.2.2. – Polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner)............................... 13 Capitolul 2 – Pierderi dielectrice....................................................................... 15 2.1. – Variaţia constantelor dielectrice cu frecvenţa, temperatura şi umiditatea... 17 2.1.1. – Variaţia constantelor dielectrice cu frecvenţa........................................... 18 2.1.2. - Variaţia constantelor dielectrice cu umiditatea.......................................... 20 2.1.3. - Variaţia constantelor dielectrice cu temperatura........................................ 29 Capitolul 3 – Consideraţii teoretice referitoare la constantele dielectrice ale materialelor (permitivitate dielectrică şi factor de pierderi)...........................

35

3.1 – Proprietăţi complexe ale materialelor în câmp de microunde....................... 37 Capitolul 4 – Influenţa variaţiei constantelor dielectrice al materialelor asupra parametrilor electrici ai câmpului de microunde.................................

43

4.1.- Puterea directă (transmisă) şi reflectată în microunde................................... 43 4.2. – Date experimentale privind evoluţia puterii directe şi reflectate în funcţie de temperatură........................................................................................................

45

4.3. – Evoluţia puterii transmise, disipate şi reflectate în microunde pentru argilă�...................................................................................................................

50

4.4 – Date experimentale privind reglarea valorilor puterilor directe şi reflectate în procese de sinterizare a materialelor ceramice...................................................

52

4.5 – Influenţa variaţiei constantelor de material asupra aplicatoarelor rezonante................................................................................................................

53

Capitolul 5 – Consideraţii teoretice.................................................................... 54 5.1 – Principiile sistemelor de radiaţie cu microunde de tip antenă – fantă radiantă...................................................................................................................

54

5.2 – Impedanţa şi admitanţa fantelor radiante...................................................... 57 5.2.1.- Fanta – shunt............................................................................................... 72 5.2.2. – Fanta serie................................................................................................. 74 5.2.3. – Fanta serie shunt....................................................................................... 76 Capitolul 6 – Fanta radiantă serie..................................................................... 77 6.1. – Rezistenţa normalizată a fantei radiante..................................................... 77 6.2. - Dimensiunile fantei radiante...................................................................... 78 6.3 – Poziţia fantelor radiante pe suprafaţa ghidului............................................. 79 Capitolul 7 – Calculul de dimensionare a sistemului de radiaţie cu microunde de tip antenă – fantă radiantă pentru un număr de 3 – 10 fante radiante.................................................................................................................

83

3

Capitolul 8 - Dimensionarea aplicatoarelor rezonante multimod dotate cu sisteme de radiaţie de tip antenă – fantă radiantă............................................

89

Capitolul 9 – Modelarea numerică acâmpului electromagnetic în aplicatorul rezonant multimod dotat cu sisteme de distribuţie de tip antenă – fantă radiantă……............................................................................................

101

9.1 – Aplicatoare rezonante cu sisteme de radiaţie a microundelor de tip antenă – fantă radiantă.......................................................................................................

112

9.1.1. – Definiţia unei cavităţi rezonante............................................................... 112 9.1.2. – Aplicatoare construite pornind de la o porţiune de ghid........................... 113 9.1.3. – Comportamentul aplicatoarelor rezonante................................................ 117 9.2. – Analiza comparativă a configuraţiei şi distribuţiei câmpului electromagnetic în aplicatoare rezonante de tip multimod.....................................

123

CONCLUZII ........................................................................................................ 139 CONTRIBUŢII PERSONALE........................................................................... 141 BIBLIOGRAFIE……………………………………………………………….. 143

4

INTRODUCERE Procesarea în câmpul de microunde a materialelor este o tehnologie

dezvoltată şi utilizată în prezent într-un mare număr de aplicaţii. Lucrarea de faţă îşi propune să contribuie la dezvoltarea unor sisteme de tratament termic cu microunde a materialelor având la bază atât referinţe în domeniul electromagnetismului, cât şi fenomenele de interacţiune a acestuia cu materialele.

Baza lucrării o constituie prezentarea unui nou sistem de uniformitate a câmpului electromagnetic în aplicatoare rezonante destinate procesării termice a materialelor.

Alegerea tipului de sistem de distribuire uniformă a câmpului electromagnetic în aplicatoarele rezonante dezvoltat în cadrul tezei este antena – fantă radiantă, care permite o funcţionare optimă a sursei generatoare de microunde, indiferent de modificările cauzate de variaţia constantelor dielectrice de material, pe durata procesării termice.

Calculul de dimensionare a sistemelor de radiaţie de tip fantă – serie se referă la ghidurile corespunzătoare benzii de frecvenţă 2,45 GHz.

Calculele s-au efectuat pentru sistemele de radiaţie cu 3 – 10 fante radiante înclinate, rezultând unghiul de înclinaţie al fantei.

În final s-a prezentat configuraţia câmpului electromagnetic în aplicatoare rezonante multimod, având modul de oscilaţie TE102, TE222, TE323, comparativ cu un aplicator dotat cu sistemul de tip antenă – fantă radiantă.

Capitolul 1. – Constantele dielectrice ale materialelor

1.1. Constanta dielectrică complexă (ε*) Constanta dielectrică complexă este principala mărime care caracterizează

comportarea unui dielectric sub influenţa unui câmp de înaltă frecvenţă şi este definită prin: ε* = ε’ - jε” (1.1) în care: ε’ – partea reală a constantei dielectrice complexe denumită şi permitivitate dielectrică, defineşte dielectricul din punct de vedere al capacităţii sale de a se polariza, înglobând pierderi datorate fenomenului de polarizare dipolară asociat cu frecarea dintre molecule, şi ε” – partea imaginară – factorul de pierderi ce înglobeazătoate efectele disipative datorate pierderilor prin efect Joule şi dielectrice.

Raportul dintre factorul de pierderi efectiv şi permitivitatea dielectrică reprezintă tangenta unghiului de pierderi efectiv:

tgδef = (1.2) El caracterizează capacitatea materialului de a transforma energia

electromagnetică în căldură la o anumită frecvenţă şi temperatură.

lio
Highlight

5

1.2.1. – Polarizarea de orientare (dipolară) Mecanismul polarizării dipolare sau de orientare, care se manifestă în

gama de frecvenţe a microundelor, are la bază rotaţia dipolilor permanenţi în câmpul electric aplicat.

1.2.2. – Polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner) Polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner) se manifestă mai

ales în dielectricii neomogeni care au în structura lor elemente conductive, într-o anumită proporţie, dispersate în medii conductive. Polarizarea Maxwell – Wagner este determinată de apariţia unor sarcini pe suprafeţele de separare ale parţilor omogene din dielectricii neomogeni. Motivul tratării acestui tip de polarizare este acela al contribuţiei importante pe care această polarizare o are asupra polarizării totale a unui dielectric neomogen în banda de frecvenţă a microundelor.

Capitolul 2 – Pierderi dielectrice

Noţiunea de pierderi dielectrice este asociată cu capacitatea materialului de a absorbi o parte din energia electromagnetică (de microunde), energie care se disipă sub formă de căldură în interiorul materialului la frecvenţe corespunzătoare relaxării dielectrice.

ε” – factorul de pierderi măsoară eficienţa transformării în căldură a energiei transportate de undele electromagnetice, fiind direct legat de pierderile dielectrice, cantitatea de căldură disipată fiind maximă când ε” atinge o valoare maximă.

2.1 – Variaţia constantelor dielectrice de material cu frecvenţa,

temperatura şi umiditatea Permitivitatea dielectrică ε’ cât şi factorul de pierderi ε” şi implicit,

tangenta unghiului de pierderi tgδ, joacă un rol determinant în încălzirea cu microunde a materialelor dielectrice.

Aceste mărimi definesc proprietăţile dielectrice ale unui material şi caracterizează comportamentul acestuia sub influenţa unui camp de înaltă frecvenţă (microunde), fiind dependente de frecvenţă, umiditate, temperatură etc.

Capitolul 3. Consideraţii teoretice referitoare la constantele dielectrice ale

materialelor (permitivitate dielectrică şi factor de pierderi) În principal datele asupra proprietăţilor dielectrice sunt importante,

deoarece ele oferă valorile factorului de pierdere, ε’ şi ε”eff, de care depind,

alături de alţi parametrii, cum sunt cămpul electric şi frecvenţa, puterea în microunde care poate fi disipată într-un volum de material dat. P = k f ε” E2 [W/m3]

lio
Highlight

6

în care: k – constantă numerică f – frecvenţa microundelor [Hz] ε” – factor de pierdere electric E – intensitatea câmpului electric [V/m] Cu cât valorile permitivităţii dielectrice ε’ şi a factorului de pierderi ε” sunt mai mari şi cresc cu temperatura şi umiditatea materialelor, cu atât nivelul puterii în microunde disipat în materiale este mai mare. În general, valori ale factorului de pierdere ε” ale materialelor mai mici de 10-2 necesită intensităţi foarte mari ale câmpului electric pentru a asigura o rată rezonabilă de creştere a temperaturii în materialul respectiv. Pe de altă parte, materialele care prezintă factori de pierdere mai mari decât 5, pot prezenta probleme în ceea ce priveşte adâncimea de pătrundere, deoarece materialul este foarte absorbant în energia de microunde.

Capitolul 4. – Influenţa variaţiei constantelor dielectrice ale materialelor asupra parametrilor electrici ai câmpului de microunde

4.1. Puterea dielectrică (transmisă) şi reflectată în microunde La frecvenţe foarte mari corespunzătoare domeniului de utilizare a energiei microundelor apare necesitatea ca generatorul şi sarcina să fie conectate printr-o linie de transmisie sau ghid de undă aşa cum se prezintă în fig 4.1

Fig.4.1 – Schema echivalentă a unei linii conţinând generatorul

de microunde, ghidul de undă şi sarcină

4.2 Date experimentale privind evoluţia puterii directe şi reflectate în funcţie de temperatură

Se precizează în continuare influenţa variaţiei cu temperatura a constantelor de material asupra parametrilor specifici câmpului de microunde. Experimentările s-au efectuat pe standuri suprapuse de materiale care au fost expuse în câmp de microunde la temperaturi de până la 1200C. Configuraţia experimentală pentru determinarea factorului de undă staţionară a inclus o linie de măsură tip �slotted line� cu sondă, detector cu diodă şi milivoltmetru pentru determinarea valorilor minime şi maxime ale factorului de undă staţionară. Experimentele s-au efectuat la nivel redus de energie utilizând un generator de micrunde de tip 8616 A (Hewlett Packard) cu frecvenţa reglebilă între 1780 MHz şi 4500 MHz. Frecvenţa la care s-au realizat testele a fost de

7

2450 MHz conformă cu banda ISM de utilizare a energiei microundelor pentru aplicaţii Industriale

Fig. 4.2. – Puterea reflectată Pr funcţie

valoarea constantelor dielectrice de material

(permitivitate dielectrică ε' şi

factorul de pierdere ε˝ < 10-2) şi de

temperatură

Fig. 4.3. – Factorul de undă staţionară FUS funcţie de material

(permitivitate dielectrică şi factorul

de pierdere ε˝ < 10-2) şi de temperatură

Analizând graficele din figurile 4.2 şi 4.3 se constată că numărul optim

de straturi de material pentru care „Pr� < 30% şi FUS ≤ 4, este cuprins între 5 şi 7, pentru temperaturi de procesare de cca. 1000C.

4.3 Evoluţia puterii transmise disipate şi reflectate în microunde pentru argilă

Pentru a evidenţia influenţa variaţilor constantelor dielectrice asupra parametrilor electrici ai câmpului de microunde se prezintă rezultatele experimentărilor efectuate asupra unor tipuri de argilă umedă şi uscată. Alegerea pentru experimentări a argilei s-a datorat faptului că prin structura sa aceasta prezintă o pronunţată dependenţă a valorilor constantelor dielectrice cu temperatura şi umiditatea cu influenţe pronunţate asupra parametrilor electrici ai câmpului de microunde.

Fig. 4.4 – Evoluţia puterii disipate în argilă uscată

8

Fig. 4.5 – Evoluţia puterii disipate în argilă umedă

Puterea în microunde disipată într-un material depinde de nivelul

pierderilor dielectrice care reprezintă diferenţa între valoarea puterii incidente (furnizată de generatorul de microunde) şi puterea în microunde reflectată (neabsorbită de sarcină).

4.4 Date experimentale privind reglarea valorilor puterilor directe şi reflectate în procese de sinterizare a materialelor ceramice Pentru o putere incidentă dată (furnizată de generator) puterea reflectată

în acest proces de sinterizare se poate calcula cu relaţia: Pr = Pi – Pa - Pp în care: Pi – puterea incidentă Pa – puterea absorbită de material

Pp – puterea pierdută în pereţii aplicatorului (este constantă pentru un aplicator dat şi reprezintă maxim 3% din puterea incidentă)

4.5. Influenţa variaţiei constantelor de material asupra aplicatoarelor

rezonante În prima zonă la o descreştere a lungimii cavităţii puterea reflectată �P r”

descreşte, având ca efect o creştere a puterii absorbite şi deci, o încălzire a materialului ceramic.

În zona a doua puterea reflectată �Pr� rămâne constantă în timp ce lungimea cavităţii descreşte. La sfârşitul acestei zone �Pr� descreşte foarte rapid având drept rezultat creşterea rapidă a temperaturii materialului pe baza evoluţiei acestei puteri absorbite în material.

Se observă cum prin modificarea acordului cavităţii se poate obţine un regim de sinterizare optim pentru materialele ceramice.

Capitolul 5. Consideraţii teoretice

5.1. Principiile sistemelor de radiaţie cu microunde de tip antenă – fantă radiantă

Pentru determinarea parametrilor electrici ai unei fante radiante se face apel la principiul lui Babinet şi la dipolul electric. În gama de frecvenţă corespunzătoare microundelor, dipolul electric poate constitui un element radiant.

9

Fig. 5.1 – Principiul lui Babinet

Acest principiu afirmă că dacă între o sursă luminoasă şi un plan B se

interpune un ecran A sau un ecran complementar lui, suma efectelor obţinute pe plan B este acceaşi cu efectul obţinut în absenţa ecranului.

f1(x,y,z) + f2(x,y,z) = f0(x,y,z) (5.1) Concepţia şi realizarea unui sistem radiant necesită într-o primă etapă, determinarea puterii totale în microunde, putere impusă de procesul termic dorit a se realiza, etapa următoare fiind repartizarea acestei puteri pe fiecare fantă pentru a fi radiată. La concepţia unui sistem radiant, obţinerea unui anumit profil de putere radiată este condiţionat de mai mulţi factori cum ar fi: numărul de ghiduri radiante (dacă este cazul), numărul de fante radiante, dimensiunile şi modul de amplasare al acestora pe suprafaţa ghidului.

Sistemul de distribuţie este realizat dintr-un ghid de undă având dimensiunile interioare de 109,22 x 54,6 [mm], scurtcircuit la un capăt şi prevăzut cu fante de cuplaj la celălalt capăt.

Acest tip de distribuţie de tip radiant permite transferul total al energiei în incinta de procesare termică cu microunde a materialelor. El poate realiza procesări termice de mare performanţă din punct de vedere al uniformităţii, poate fi cuplat la incinte de procesare, ale căror dimensiuni respectă riguros condiţia de rezonanţă şi poate realiza diverse profiluri de temperatură, în funcţie de forma, numărul şi înclinaţia fantelor radiante. În plus, acest sistem asigură o funcţionare optimă (adaptată) a generatorului de microunde, indiferent de modificările cauzate de variaţia parametrilor de material (ε şi tgδ) cu temperatura, pe durata tratamentului. Sistemul de radiaţie cu microunde tip antenă – fantă este realizat din unul sau mai multe ghiduri de undă radiante. În cazul în care sistemul de distribuţie se compune din mai multe ghiduri radiante acestea se cuplează la un ghid principal în care energia microundelor este injectată de la generatorul de microunde. Energia microundelor este radiată în incinte prin fante radiante practicate pe latura mare a ghidurilor radiante. Un aspect deosebit de important îl constituie faptul că aplicatoarele multimod prevăzute cu sisteme de distribuţie de tip radiant fac posibilă procesarea termică cu microunde a obiectelor (produselor) care conţin elemente

10

magnetice, fără ca prezenţa acestora să inducă perturbaţii mari în distribuţia câmpului electric. Un ghid de undă uniform, cu dielectric fără pierderi, cu pereţi metalici perfect conductori se caracterizează printr-o frecvenţă critică sub care fenomenul de propagare a undelor electromagnetice nu se mai produce.

Fig. 5.5. – Sistem radiant cu 3 ghiduri radiante racordate la un ghid intermediar

(cuplor)

Un astfel de ghid de undă care are practicate pe faţa lată mai multe fante radiante şi este scurtcircuitat la un capăt poartă denumirea de sistem de radiaţie.(fig. 5.9)

Fig. 5.7. – Ghid de undă cu fante radiante

Sistemul radiant se poate realiza din mai multe ghiduri radiante, funcţie

de puterea cerută de o anumită aplicaţie. În cazul unui sistem radiant format din mai multe ghiduri radiante, cuplajul între magnetron şi ghidurile radiante se realizează cu un ghid intermediar (cuplor). Cuplajul între magnetron şi ghidul intermediar se realizează prin fante de cuplaj ca în figura 5.8

Fig. 5.8 – Cuplajul între magnetron, ghidul intermediar şi sistemul de radiaţii cu

microunde

Cuplajul ghidurilor radiante la ghidul intermediar se realizează prin fante transversale aşa cum se vede în fig. 5.12

11

Fig. 5.9 – Fantă de cuplaj între ghidul intermediar şi ghidul radiant

Numărul fantelor shunt de cuplaj se alege în funcţie de numărul ghidurilor radiante necesare aplicaţiei.

Capitolul 6. – Fanta radiantă serie

6.1. Rezistenţa normalizată a fantei radiante Pentru o fantă serie această energie radiantă este proporţională cu

rezistenţa fantei, iar pentru o fantă shunt ea va fi proporţională cu conductanţa sa. Rezistenţa şi conductanţa sunt funcţie de dimensiunile fantei şi sunt maxime când fanta este la rezonanţă.

Parametrii electrici ai fantei, respectiv partea activă (reală) a impedanţei (rezistenţa şi conductanţa) este aceeaşi pentru fiecare fantă.

Rezistenţa sau conductanţa normalizată a unei fante radiante sunt funcţie de lungimea de undă de excitaţie (λ0), dimensiunile interioare ale ghidului (a,b), lungimea de undă în ghid (λg) şi de unghiul de înclinaţie al fantei faţă de axa centrală (θ).

R, G = f(a, b, λg, θ) (6.1)

R = N1

unde: N – numărul de fante (6.2)

6.2. Dimensiunile fantei radiante

Pentru frecvenţa de lucru f = 2450 MHz, avem: λ0 = 122, 4 mm Rezultă: L + l = 61,2 mm În general, se alege pentru lăţimea fantei valori de 5 – 6 mm şi rezultă lungimea unei fante radiante: L = 55 – 56 mm

6.3 – Poziţia fantelor radiante pe suprafaţa ghidului Condiţiile care trebuie respectate sunt: Ø Menţinerea aceleiaşi valori a impedanţei de undă staţionară cât mai

aproape de unitate într-o bandă de frecvenţe cât mai largă, condiţie ce implică compensarea corespunzătoare a reactanţei saususceptanţei fantelor.

12

Ø Evitarea formării de lobi laterali pentru câmpul radiant de fante, în scopul optimizării radiaţiei în direcţia perpendiculară pe suprafaţa fantelor şi deci obţinerea unui câştig cât mai mare pentru emisie.

Fig. 6.2 – Poziţia fantelor pe ghidul de

undă

Capitolul 7. – Calculul de dimensionare a sistemului de radiaţie cu

microunde de tip antenă – fantă radiantă pentru un număr de 3 – 10 fante radiante

Pentru calculul de dimensionare al sistemului radiant de distribuţie a energiei microundelor în aplicatoare se consideră ca fiind cunoscut numărul N de fante şi implicit rezistenţa normalizată a fantelor, care este egală cu 1/N şi se determină: unghiul θ de înclinare al unei fante, lungimea fantei, distanţa între fante etc. Calculul are ca date de intrare: - frecvenţa de lucru în microunde f = 2450 MHz; - dimensiunile interioare ale ghidului a; b - modul de oscilaţie în ghid (TEmn) m = 1; n = 0; - numărul de fante N Un exemplu de calcul se referă la un sistem radiant cu N = 3 – 10 fante serie realizate dintr-un ghid de undă tip WR 430.

Calculul de dimensionare pentru un sistem radiant cu fante serie, radiind

acelaşi procent din puterea incidentă în microunde Ghidul de undă pe care se vor realiza fantele este de tip WR 430 cu N = 3 – 10 fante serie. Date iniţiale: - viteza luminii c (m/s) c = 3x108; - frecvenţa de lucru f (Hz) f = 2450 x 106; - modul de oscilaţie TEmn m = 1; n = 0; - dimensiunea „a” (mm) a ghidului a = 109,22; - dimensiunea „b” (mm) a ghidului b = 54,61; - lungimea de undă în vid (spaţiu liber ) λ0 (mm) λ0 = (c/f) x 103; - lungimea de undă critică λc (mm) Rezultatele obţinute sunt prezentate sintetic în tabelul de mai jos.

Tabelul 7.1. Frecvenţa: 2450 MHz Dimensiuni interioare ghid (axb) : 109,22 x 54,61 mm

13

Număr fante (N) 3 4 5 6 7 8 9 10 Rezistenţa norma lizată a unei fante (R)

1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 1/9 1/10

Unghiul de înclinare θ

34050' 29032' 26006' 23039' 21048' 20019' 19005' 18003'

Impedanţa unei fante (Ω)

16,66 12,5 10 8,33 7,14 6,25 5,55 5,00

Impedanţa unei fante (Ω): 50 Lungime fantă (mm): 55 Lăţime fantă (mm): 6 Distanţa între fante (mm): 73,9

Capitolul 8. – Dimensionarea aplicatoarelor rezonante multimod dotate cu

sisteme de radiaţie de tip antenă – fantă radiantă Un prim criteriu important în dimensionarea aplicatoarelor multimod

este evident volumul produsului ce urmează a fi procesat. Dacă produsul are dimensiuni comparabile cu lungimea de undă, cavitatea poate lucra pe un singur mod de oscilaţie iar dacă dimensiunile produsului cresc, cavitatea va trebui dimensionată pentru a lucra pe mai multe moduri de oscilaţie.

Dimensiunile cavităţii sunt determinate atât de dimensiunile produsului cât şi funcţie de numărul de moduri rezonante produse în cavitate, în plaja de variaţie a frecvenţei de lucru, cum rezultă din relaţia (8.1):

f0 =

2/12220

2

+

+

cp

bn

amc

[Hz] (8.1)

Fiecare mod de oscilaţie prezent într-o cavitate multimod de dimensiuni a, b, c care satisface această relaţie reprezintă o soluţie a ecuaţiei. O rezolvare este prezentată calitativ în figura 8.1 prin curba care reprezintă numărul total de moduri de oscilaţie funcţie de frecvenţă.

Fig. 8.1. – Variaţia numărului de moduri N funcţie de frecvenţa f

În tabelul 8.2 sunt prezentate modurile, frecvenţa de oscilaţie şi randamentul în gama de frecvenţă 2450 + 20 MHz pentru o cavitate ale cărei dimensiuni b şi c sunt date, lungimea a find variabilă.

Tabelul 8.2

Lungime mod

270 280 290 300 305 311 315 321

14

(340) 2446,5

(402) 2446

(250) 2446,3

(250) 2452,0

(250) 2445,3

(250) 3437,8

(260) 2433,0

(511) 2453,5

(421) 2469,9

(313) 2454,3

(340) 2466,8

(233) 2458,5

(500) 2490

(510) 2452,8

(501) 2455,4

(233) 2432,7

(332) 2454,0

(014) 2441,4

(341) 2444,5

(014) 2441,4

(431) 2456,5

(422) 2442,1

(233) 2430,6

(323) 2451,0

(303) 2453,1

(104) 2459,1

(412) 2433,3

(104) 2451,5

(233) 2451,7

(233) 2444,4

(323) 2466,3

(014) 2441,4

(014) 2441,7

(014) 2441,4

(014) 2441,4

(014) 2441,4

(014) 2441,4

(104) 2445,1

Frecvenţa de oscilaţie

(104) 2463,5

(104) 2456,1

(104) 2460,0

(104) 2448,0

(104) 2446,8

η (%) 27 28 30 39 45 51 43 38

Calculul de dimensionare a unei cavităţi (aplicator) multimod

Pentru o bandă de frecvenţă dată şi un produs de tratat cu anumite dimensiuni, calculul de dimensionare al unei cavităţi multimod cum este cea prezentată în figura 8.2.

Fig. 8.2 – Cavitate rectangulară multimod

În funcţie de dimensiunile materialului (produsului) ce urmează a fi procesat cu microunde se stabileşte o dimensiune a cavităţii, în general latura mare a acesteia (a).

Fig. 8.3 – Variaţia dimensiunilor unei cavităţi (aplicator) multimod funcţie de

modurile de oscilaţie

Lăţimea b a cavităţii rezultă din graficul din figura 8.3., cunoscând pe a

şi indicii m, n, p, adică modul de oscilaţie pe care urmează să opereze aplicatorul respectiv.

Capitolul 9. – Modelarea numerică a cămpului electromagnetic în

aplicatorul rezonant multimod dotat cu sisteme de distribuţie de tip antenă – fantă radiantă.

În cadrul acestui capitol se va prezenta gradul de neuniformitate al acestor aplicatoare, comparativ cu aplicatoarele dotate cu sistemede distribuţie

15

de tip antenă – fantă radiantă prin metoda calculului numeric al câmpului electromagnetic şi a cămpului termic într-un material.

9.1 – Aplicatoare rezonante cu sisteme de radiaţie a microundelor de tip

antenă – fantă – radiantă Pentru a acorda circuitele de înaltă frecvenţă se impun inductanţe şi

capacităţi ale căror dimensiuni sunt de ordinul lungimii de undă, adică de ordinul componentelor pe parcursul cărora tensiunea şi intensitatea pot varia. Aceste elemente vor constitui antene radiante. O schemă foarte generală a unei asemenea cavităţi este prezentată în figura 9.4.

Fig. 9.4 Schema generală a unei cavităţi rezonante

9.2 Analiza comparativă a configuraţiei şi distribuţiei câmpului

electromagnetic în aplicatoare rezonante de tip multimod Spre deosebire de ghidurile de microunde care sunt folosite pentru a transmite energia electromagnetică de înaltă frecvenţă dintr-un punct în altul, aplicatoarele rezonante sunt dispozitive care înmagazinează energia. La frecvenţa de microunde, o cavitate metalică reuneşte funcţiile bobinei şi ale condensatorului.

Principiul de funcţionare al unui aplicator rezonant este funcţie de condiţiile de existenţă ale undelor staţionare.

Modul de varaţie a câmpului într-o astfel de cavitate rezonantă se defineşte în general cu notaţia TElmn, în care l desemnează numărul de semiperioade al câmpului în direcţia Ox, m pe cele în direcţia Oz iar n pe cele în direcţia Oy. În exemplul de mai sus s-a considerat n = 0, deci modul de variaţie este TElm0. Structura câmpului electromagnetic pentru acest mod este prezentată ulterior.

Fig. 9.13 a – Configuraţia câmpului electric în ghid de undă pentru modul de oscilaţie

TE102

16

Fig. 9.13 b – Configuraţia câmpului electric în ghid de undă pentru modul de oscilaţie

TE102

Fig. 9.13 c – Câmpul termic dezvoltat într-un receptor ceramic (având ε' ≈ 1,1 şi ε" ≈ 21), de către configuraţia de câmp electric

din fig. 9.13 a şi b

Fig. 9.14 a – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod funcţionând pe

modul de oscilaţie TE222

Fig. 9.14 b – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod funcţionând pe

modul de oscilaţie TE222

Fig. 9.14 c – Câmpul termic dezvoltat într-un receptor ceramic (având ε' ≈ 1,1 şi ε" ≈ 21), de către configuraţia de câmp electric

din fig. 9.14 a şi b

17

Fig. 9.15 a – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod funcţionând pe

modul de oscilaţie TE323

Fig. 9.15 b – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod funcţionând pe

modul de oscilaţie TE323

Fig. 9.15 c – Câmpul termic dezvoltat într-un receptor ceramic (având ε' ≈ 1,1 şi ε" ≈ 21), de către configuraţia de câmp electric

din fig. 9.15 a şi b

Fig. 9.16 a – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod cuplat la in sistem de radiaţie de tip antenă – fantă

radiantă

Fig. 9.16 b – Configuraţia câmpului electric într-un aplicator multimod cuplat la un sistem de radiaţie de tip antenă – fantă

radiantă

18

Fig. 9.16 c – Câmpul termic produs de sistemul de radiaţie antenă – fantă radiantă

într-un material susceptor de microunde plasat într-un aplicator rezonant multimod

Analiza acestor grafice indică faptul că aplicatoarele multimod existente

prezintă dezavantajul că în anumite situaţii limitează sfera de utilizare a instalaţiilor cu microunde. Acest dezavantaj constă în neuniformitatea încălzirii materialelor de procesat, datorită distribuţiei neuniforme a câmpului electromagnetic din interiorul aplicatorului.

CONCLUZII Utilizarea eficientă a energiei de microunde în procesarea termică a materialelor este în mod determinat de cunoaştere a proprietăţilor de material, de concepţia şi proiectarea tipului de aplicator rezonant şi a sistemului de distribuţie a energiei microundelor în aplicator. Din punct de vedere al proprietăţilor dielectrice ale materialelor, pot fi enumerate următoarele aspecte:

- în materialele cu un anumit conţinut de umiditate, în care există o orientare definită a structurii acestora, cum ar fi: hârtia, textilele, lemnul, proprietăţile dielectrice depind puternic de orietarea câmpului electric aplicat relativ la direcţia materialului.

- influenţa orientării câmpului electric asupra proprietăţilor dielectrice este importantă mai ales în procesele de uscare a unor materiale sub formă de foi, pentru care umiditatea trebuie eliminată pe toată secţinea materialului.

- determinarea factorului de pierderi în funcţie de conţinutul de umiditate este estenţială în alegerea optimă a frevenţei de lucru şi a orientării câmpului electric, oferind informaţii asupra umidităţii critice care impune anumite restricţii în proiectarea unei instalaţii cu microunde.

- factorul de pierderi ε" prezintă variaţi importante cu temperatura dar şi cu frecvenţa.

- în procesele de sinterizare ale materialelor ceramice evoluţia puterii directe şi reflectate au un rol important în stabilirea parametrilor tehnologiei de proces; o soluţie pentru reducerea la minim a puterii reflectate în procesele de sinterizare ale materialelor ceramice este utilizarea aplicatoarelor cu acord

19

reglabil sau a circulatoarelor cu fante care se montează pe traseul de generare a microundelor şi protejează magnetronul.

Sistemul de distribuţie al microundelor de tip radiant permite transferul maxim al energiei microundelor în aplicatorul rezonant. Acest tip de sistem radiant poate realiza încălziri performante din punct de vedere al uniformităţii, poate fi cuplat la orice tip de aplicator rezonant care respectă condiţia de rezonanţă şi poate realiza diverse profiluri de temperatură în funcţie de forma şi dimensiunile fantelor radiante. Astfel, dimensionarea şi poziţionarea corespunzătoare a fantelor radiante (care constituie surse elementare de radiaţie) face posibil controlul pe parcursul procesării puterii în microunde transmise de generator în aplicator. Sistemul dezvoltat în cadrul acestei teze poate fi utilizat în activităţile de cercetare, pentru abordarea unor domenii noi de utilizare a energiei de microunde, cum ar fi:

- utilizarea eficientă a energiei electrice în procese industriale de uscare.

- tehnologiile de uscare cu microunde în industria lemnului, hârtiei şi materialelor ceramice disipative

- tehnologii cu microunde pentru protecţia mediului, sterilizare şi decontaminarea deşeurilor rezultate din activităţile medicale

- conservarea pe termen lung a documentelor din arhive şi a monumentelor din lemn.

CONTRIBUŢII PERSONALE

Orientarea cercetărilor din cadrul acestei teze în direcţia elaborării unui nou pachet de programe ar fi avut riscul obţinerii unui rezultat neconvingător. Din acest motiv, principalul obiectiv al lucrării şi principala contribuţie originală a acestei teze a fost:

• realizarea şi studiul a unui sistem radiant în care în prima etapă puterea totală în microunde, impusă în procesul termic dorit, este necesar a fi disipată în material, urmând a fi repartizată pe fiecare fantă.

• efectuarea experimentelor pentru a determina influenţa variaţiei cu temperatura a constantelor de material asupra parametrilor specifici câmpului de microunde, pe standuri suprapuse de materiale care au fost expuse în câmp de microunde la temperaturi de până la 1200C.

• realizarea unui sistem de distribuţie dintr-un ghid de undă având dimensiunile interioare de 109,22 x 54,6 [mm] scurtcircuitat la un capăt şi prevăzut cu fante de cuplaj la celălalt capăt.

• verificarea corectitudinii calculului de dimensionare al fantelor rezonante care implică o etapă iniţială de modelare numerică a

20

distribuţiei câmpului electomagnetric în aplicatorul rezonant ales.

• dimensionarea aplicatorului şi a celorlalte sisteme aferente acestuia (magnetron, ghid de lansare, cuplajul sistemului radiant la aplicator).

• prezentarea gradului de neuniformitate al aplicatoarelor multimod comparativ cu aplicatoarele dotate cu sisteme de distribuţie de tip antenă fantă radiantă prin metoda calculului numeric al cămpului electromagnetic şi al câmpului termic într-un material.

• analiza graficelor obţinute în 3D pentru distribuţia câmpului electromagnetic în aplicatoare rezonante care oscilează pe modul TEmnp, dotate cu sisteme de radiaţie antenă-fantă radiantă, evidenţiază atât uniformitatea câmpului electromagnetic cât şi a câmpului termic, comparativ cu sistemele clasice de distribuţie a câmpului de energie care prezintă neuniformităţi.

Avantajele tehnice şi economice ale metodei realizată de autor reprezintă, prin urmare, o alternativă interesantă pentru îmbunătăţirea sistemelor actuale.

Deşi orientarea cercetărilor din cadrul tezei a avut în special caracter tehnologic, pe lângă modelarea numerică, lucrarea a dedicat câteva capitole şi aspectelor teoretice.

BIBLIOGRAFIE

1. Nelson S. – Dielectric properties of materials – T. Microw. Power, no. 2 – 1983 2. Alioat M., Mazo L. Microwave sintering ceramics – Materials letters, Vol. 5, no.9 –

1987 3. Andrade O., Iskander M., Bringhurst S. – High Temperature bradband dielectric

properties measurement techniques. Micriwave Processing of Materials III. Pros. Mat. Res. Soc. 269, pp. 527 – 539 – 1992

4. Maghiar Teodor – Electrotehnică – Editura Universităţii din Oradea 1999 5. Maghiar Teodor – Proiectarea, executarea şi exploatarea echipamentelor cu microunde

– Editura Universităţii din Oradea – 1999 6. Nagy St., Leuca T. Maghiar. – Procesarea materialelor în câmp electromagnetic –

Editura Universitatea din Oradea 2002 7. Harri Eskelinen, Pekka Eskelinen – Microwave component mechanics – Artech House

– 2003 8. Maghiar Teodor, Soproni D. – Tehnica încălzirii cu miocrounde – Editura universităţii

din Oradea – 2003 9. Leuca Teodor – Aspecte privind încălzirea în câmp de microunde a materialelor

dielectrice – Universitatea din Oradea, Oradea - 2006 10. Popovici Ovidiu – Utilizări ale energiei electrice: încălzirea cu microunde: modelare –

Universitatea din Oradea, Oradea – 2006