Electromagnetic Field Analysis Inside Applicator With Ceramic Cavity At Drying The Refractory Material

ELECTROMAGNETIC FIELD ANALYSIS INSIDE APPLICATOR WITH CERAMIC CAVITY AT DRYING THE REFRACTORY MATERIAL

Abstract. În această lucrare se prezintă un studiu al modelării numerice a câmpului electromagnetic din aplicatorul cu microunde, la uscarea unui material refractar. Materialele ceramice au avantajul încălzirii la temperaturi înalte datorat microstructurii lor și proprietăților mecanice bune.. Comparativ cu procedeele clasice de încălzire, avantajul utilizării microundelor constă în realizarea unei încălziri uniforme, iar puterea se distribuie uniform în întreaga masă a sarcinii, din interior spre exterior, cu un consum mult mai mic de energie și într-un timp relativ scurt.

Key words: microwave field, heating dielectric materials.

1.Introducere

Modelarea matematică a proceselor de încălzire în câmp electromgnetic necesită însă soluționarea unor probleme complicate de câmp electromgnetic, cuplate cu probleme de difuzie termică. Scopul acestui studiu a fost de a determina efectul unei noi tehnici de uscare a materialelor refractare. In aceasta lucrare vom prezenta influenta campului electromagnetic asupra procesului de uscare a unui bloc bine dimensionat dintr-un material refractar cu proprietati bine definite. In acest sens se va usca blocul de material refractar in cuptorul cu microunde cu aplicator ceramic. Cuplarea fenomenelor de transfer de câmp electromagnetic și termic din procesele de uscare în câmp de microunde și modelarea matematică a acestora implică cunoașterea dependenței proprietăților materialului de temperatură, frecvență și putere. Modelarea proceselor de încălzire este deosebit de utilă, deoarece permite tehnologului stabilirea parametrilor necesari obținerii unei încălziri eficiente. În funcție de acești parametri, rezultă și caracteristicile proiectului instalației de încălzire cu ajutorul microundelor.Materialele dielectrice sunt capabile să absoarbă o parte din energia electromagnetică primita și să-o transforme în căldură. La procesarea unui dielectric într-un câmp electromagnetic de înaltă frecvență ar trebui să se cunoască proprietățile dielectrice ale materialului și variația lor în timpul procesului, conținutul de umiditate este important în proiectarea de dispozitivele de procesare cu ajutorul energiei microundelor. De aceea, o atenție mare este acordată pentru determinarea variației εי si ε in functie de conținut de umiditate al materialului procesat in camp de microunde.

Experimental data

Pachetul de programe Ansoft – HFSS 10 (High Frequency Structure Simulator) este un soft interactiv ce permite determinarea câmpului electromagnetic în interiorul unor structuri pasive la frecvențe înalte.

Softul include comenzi de post-procesare utile pentru a analiza în detaliu funcționarea structurilor considerate. Pentru a genera o soluție de câmp electromagnetic programul utilizează metoda elementelor finite. Metoda elementelor finite divide spațiul problemei întregi în mii de regiuni mai mici și reprezintă câmpul în fiecare subregiune (element) printr-o funcție locală .

Desenând geometria unei structuri și specificând proprietățile de material pentru fiecare obiect definim porturile și frontierele specifice și setăm condițiile de rezolvare.

În aceste condiții, selectând modulul de rezolvare Driven Solution, softul va genera soluțiile necesare ale câmpului electromagnetic și va asocia caracteristicile porturilor și parametrii S. Odată cu alegerea unei structuri, Ansoft – HFSS 10 permite rezolvarea acesteia, fie la o frecvență dată selectând Single Frequency, fie la mai multe frecvențe date, dintr-un interval precizat, selectând Sweep. Dacă se alege rezolvarea Sweep, atunci se va opta pentru o rezolvare cu pași rapizi de frecvență; Fast care va da o soluție unică și completă a câmpului pentru fiecare valoare de frecvență din interval, sau cu pas discret de frecvență; Discrete care va genera soluții de câmp în puncte corespunzătoare frecvențelor din domeniul specificat, sau cu pas interpolat de frecvență, Interpolating care va estima soluțiile pe întreg domeniul de frecvență. Varianta Ansoft-HFSS 10, varianta actuală, este capabilă să determine frecvențele de rezonanță pentru o structură dată, funcție de geometria aleasă, de materialele existente și nu în ultimul rând de condițiile de frontieră impuse, folosind solverul Eigenmode Solution. Odată cu realizarea acestui lucru, vom cunoaște frecvențele de rezonanță pentru fiecare structură. Implementarea metodelor de analiză numerică se bazează pe soluțiile aproximative ale unei ecuații sau a unui set de ecuații care descriu o problem cerută. În concluzie putem spune că metodele de analiză numerică sunt eficiente, dar se presupune cunoasterea exactă a proprietăților electrice si termice ale dielectricilor care urmează a fi procesați precum si dependența acestor proprietăți de temperatură.

Tabelul 1 Constantele dielectrice ale materialului refractar în funcție de conținutul de umiditate.

Material refractor ceramic este reprezentat de un bloc cu dimensiunile de 40x 80x 100 mm si este incalzit in intervalul 200 -1100 °C. În continuare sunt prezentate, în figurile 1 -6, rezultatele modelării numerice a procesului de uscare a materialului refractar ceramic cu proprietățile prezentate în tabelul 1.

Figura 1. Cavitatea aplicatorului cu microunde.

Fig. 2 Distribuția câmpului electromagnetic în planul de bază al aplicatorului, atunci cand

unda electromagnetica trece printr-un plan perpendicular pe dielectric.

Fig. 2 Distribuția câmpului electromagnetic în planul de bază al aplicatorului, atunci cand

unda electromagnetica trece printr-un plan paralel cu dielectricul.

Fig. 4 Distribuția câmpului electromagnetic, atunci cand unda electromagnetica trece prin

centrul dielectricului, cu un conținut de umiditate de 20%,י = 11,2 si tg0,0058.

Fig. 5 Distribuția câmpului electromagnetic, atunci cand unda electromagneticatrece prin

trece prin centrul dielectricului, cu un conținut de umiditate de 40%,י = 10,6 si tg0,0023

Fig. 5 Distribuția câmpului electromagnetic, atunci cand unda electromagneticatrece prin

trece prin centrul dielectricului, cu un conținut de umiditate de 70%,י = 9,2 si tg0,0015.

Analiza numerică a aplicatorului, s-a făcut utilizând o abordare în 3D cu o soluție adaptată, care a furnizat rezultate în evaluarea gradului de uniformitate a câmpului electric în interiorul dielectricului cât si pe suprafața acestuia. Încălzirea în câmp de microunde a materialului refractar s-a făcut la frecvența de 2,45 GHz.

Se constată că, o foarte bună uscare a materialului refractar se obține atunci cand unda electromagnetica trece prin centrul dielectricului.

Rezultatele obținute pot fi utilizate pentru realizarea unor studii privind modul de amplasare a dielectricului in câmp în interiorul aplicatorului.

Aceste rezultatele sunt eficiente, dar necesită cunoașterea exactă a proprietăților termice ale materialului dielectric de prelucrat, precum și cunoașterea dependenței acestor proprietăți de

temperatură.

Modelarea matematică a proceselor de încălzire în câmp electromgnetic necesită însă soluționarea unor probleme complicate de câmp electromgnetic, cuplate cu probleme de difuzie termică. Cuplarea fenomenelor de transfer de câmp electromagnetic și termic din procesele de uscare în câmp de microunde și modelarea matematică a acestora implică cunoașterea dependenței proprietăților materialului dielectric de temperatură, frecvență și putere. Modelarea proceselor de încălzire este deosebit de utilă, deoarece permite tehnologului stabilirea parametrilor necesari obținerii unei încălziri eficiente.

Conclusions

Pentru a putea utiliza microundele la încălzirea materialelor cu coeficient de pierderi nenul, este necesar ca încălzirea să se facă indirect: se pune materialul într-o cutie, adică cavitatea aplicatorului a cărei substanță are tg  nenul si care se încălzeste, transmițând căldura si dielectricului. La uscarea dielectricului, îndată ce apa dispare, coeficientul de pierderi tinde către zero si conversia energiei câmpului electromagnetic în căldură nu se mai face, corpul răcindu-se

chiar dacă este lăsat în continuare în cuptor.

Față de procedeele clasice de încălzire, marele avantaj al utilizării microundelor constă în obținerea unei încălziri uniforme, puterea se distribuie în întreaga masă a sarcinii, din interior spre exterior, într-un timp scurt și cu un consum de energie mult mai mic.

References

1. Assinder I.– Microwave for food processing – industrial application of microwave energy.

Edited by R. Smith, IMPI Transactions 2, 92, 1974.

2. Metaxas A.C., Meredith R.J. – Industrial Microwave Heating. Peter Peregrinus Ltd., London,

1983.

3. Hantila F.I., Demeter E. – Rezolvarea numerica a problemelor de câmp electromagnetic. Editura

Ari Press, Bucuresti, 1995.

4. Mîndru Gh., Radulescu N.M.– Analiza numerica a câmpului electromagnetic. Editura Dacia,

Cluj-Napoca, 1986.

5. Metaxas A.C. – The use of modeling in RF and microwave heating. HIS – 01, Heating by

Internal Sources – Padua, September 12-14, 2001, pp. 319-328.

6. Leuca T., Bandici Livia, Molnar Carmen – The Numerical Modeling of the Electromagnetic

Field with the Finite Element Method in a Parallelipipedical Cavity, 48 Internationales

Wissenschaftliches Kolloquium, Technische Universität Ilmenau, Germania, 22-25 Septembrie

2003.

7. Bandici Livia – The numerical modelling of the electromagnetic and thermal fields coupled from

the microwave installations. Thesis doctorate – University of Oradea, 2003.

8. Molnar Carmen – Contribution regarding the numerical modelling of the electromagnetic

phenomena in the electrothermal installations with microwaves. Thesis doctorate – University of Oradea ,2004.