Notiuni de Tehnica Microundelor

Capitolul 1

Utilizarea microundelor ca sursă de încălzire a materialelor dielectrice a apărut acum 45 de ani, când s-a constatat că magnetroanele utilizate în teledetecția Radar pot tot atât de bine să genereze o încălzire intensă în volum a materialelor nemetalice.

În 1949 a fost pus la punct de către specialiștii de la firma americană Raytheon magnetronul cu emisie continuă.

Procedeul de încălzire cu microunde a devenit mai cunoscut marelui public odată cu pătrunderea masivă pe piață în anii 60 a cuptoarelor electrocasnice cu microunde.

Primele realizări industriale datează din anii ‘70 și este dificil de cunoscut la ora actuală numărul lor exact. Aceasta și pentru că multe dintre firmele constructoare sau utilizatoare nu au furnizat date reteritoare la tehnologiile și echipamentele pe care le dețin. Discreția lor ar putea fi privită ca un indiciu al avantajelor obținute prin utilizarea tehnologiilor de încălzire cu microunde comparativ cu procedeele clasice. De aceea am considerat utilă a trecere în revistă a mecanismelor de absorbție a microundelor în materiale care stau la baza proceselor de încălzire cu microunde.

Microundele sunt unde electromagnetice ale căror frecvențe corespund spectrului cuprins între 300 MHz – 300 GHz (vezi figura 1.1). Pentru a se evita interferența cu sistemele de telecomunicații au fost atribuite benzile de frecventă pentru aplicațiile industriale, științifice și medicale (ISM): 2450 MHz (Iungimea de undă asociată fiind de 12,25cm) și 915 MHz (lungimea de undă asociată fiind de 33,3cm), de această bandă beneficiind numai Canada și Statele Unite ale Americii. Pentru România este alocată aplicațiilor ISM banda de frecvență 2325 – 2425 MHz +/- 50 MHz.

0 clasificare a benzilor de frecventă cuprinse în domeniul microundelor este dată în tabelul 1.1.

Tabelul de mai sus include undele metrice (1m < < 10m), decimetrice (0,1m < < lm), centimetrice (0,01m < < 0,1m) și milimetrice (0,00lm < < 0,0lm).

În tehnica încălzirii cu microunde se utilizează în general frecvențe din banda S (1,55 – 5,20 GHz).

Tehnica microundelor este un domeniu al radiotehnicii. Obiectul microundelor constă în studiul și aplicarea metodelor de generare, transmisie, prelucrare, măsurare și utilizare a câmpului electromagnetic de foarte înaltă frecvență.

Gama microundelor este cuprinsă între lungimile de undă = lm și = 1mm, adică între frecvențele f = 300 MHz și f = 300 GHz, fără ca aceste limite să fie rigide.

Criteriul de bază pentru a aprecia dacă unui circuit i se aplică metode de calcul specifice microundelor, este raportul dintre lungimea de undă și dimensiunile circuituiui.

În acest context voi prezenta un exemplu concret.

Figura 1.1 Microundele în spectrul electromagnetic

Rezervoarele de petrol din rafinării sau porturi au forma cilindrică, cu diametru de cca 10m, iar inălțimea de același ordin de mărime. Pentru măsurarea nivelului petrolului în rezervoare se poate folosi tehnica microundelor.

Rezervorul se prezintă ca o cavitate rezonantă cu dielectric (petrolul) de dimensiuni variabile. Frecvența de rezonanță este funcție de nivelul petrolului și măsurând-o se poate determina nivelul. Fenomenul de rezonanță are loc la lungimi de undă comparabile cu dimensiunile obiectului. Astfel, în exemplul prezentat, un fenomen de rezonanță electromagnetică în cavități, specific microundelor, are loc în unde decimetrice. Criteriul de apreciere al domeniului îl constituie raportul /D, în care reprezintă lungimea de undă iar D dimensiunile circuitului.

Tehnica microundelor are ca obiect studiul și aplicarea metodelor de generare, transmisie și utilizare a energiei microundelor.

Un sistem complet de generare, transmisie și utilizare a energiei microundelor este prezentat în figura 1.2.

Figura 1.2. Sistem de generare, transmisie și utilizare a energiei microundelor

Elementele componente ale acestui sistem vor fi prezentate pe scurt, în capitolele următoare.

1.2. Generarea energiei microundelor – magnetronul

1.2.1. Generalități

Magnetronul este un element esențial în generarea energiei de microunde, transformând energia rețelei (f = 50 Hz) în energie de foarte înaltă frecvență (microunde, f = 2450 MHz).

El este un tub vidat, de geometrie cilindrică, alcătuit din 2 electrozi (vezi figura 1.3.):

anodul, realizat din Cupru, constă din mai multe cavități (10 20) care formează circuite rezonante. Una din cavități conține o antenă care permite extragerea energiei de microunde în exterior (de exemplu într-un ghid de undă);

catodul, în general de formă elicoidală din wolfram sau tungsram, se încălzește la o temperatură de cca. 20000C datorită aplicării unei tensiuni cuprinse intre 5V și 10V. În plus, catodul este plasat la un potențial negativ de tensiune continuă de cca. 6 – 10KV.

Magnetronul lucrează în regim continuu sau în impulsuri, dând puteri în microunde de ordinul zecilor de kilowati, cu un randament ridicat (70%). Randamentul magnetronului, superior randamentelor celorlalte tuburi de înaltă frecvență se datorează interacțiunii pe o durată mai mare între câmpul electromagnetic de înaltă frecvență și fascicolul de electroni ce se deplasează în jurul catodului, în spațiul dintre acesta și anod. Datorită cavităților rezonante ale anodului câmpul electromagnetic are la rezonanță o intensitate mare astfel incât la obținerea puterii de foarte înaltă frecvență contribuie atât timpul de interacțiune lung cât și intensitatea mare a câmpului electric.

Figura 1.3. Secțiune prin magnetron

1 – catod; 2 – circuit alimentare catod; 3 – anod; 4 – cavități rezonante;

5 – fante; 6 – bucla de curgere a oscilațiilor; 7 – ieșire microunde

Studiul fenomenelor care au loc în magnetron este mai complex decât cel al fenomenelor din tuburile în care deplasarea electronilor are loc pe traiectorii rectilinii (clistronul sau tubul cu undă progresivă). Existența câmpurilor magnetic și electric obligă electronul să se deplaseze pe o traiectorie complicată în jurul catodului. Existența mai multor moduri de lucru, caracterul de “câmp învârtitor” și cu cavitățile rezonante ilustrează procesele complexe care au loc în timpul funcționării magnetronului.

Datorită factorului de calitate de valoare mare al cavităților utilizate ca circuite oscilante, magnetronul lucrează într-o bandă de frecvență îngustã.

1.2.2. Funcționarea magnetronului cu mai multe cavități rezonante

Funcționarea magnetronului cu cavități rezonante are la bază sincronizarea fascicolului de electroni cu câmpul electromagnetic de înaltă frecvență astfel încât câmpul electromagnetic și electronii să se rotească în jurul axei magnetronului, în spațiul anod – catod, având un raport de viteze bine determinat.

Energia electromagnetică de înaltă frecvență este obținută prin acțiunea de frânare pe care o exercită câmpul electric de înaltă frecvență asupra electronilor.

Funcționarea magnetronului se bazează pe transferul de energie pe care-l realizează electronii din spațiul de interacțiune. Electronii absorb energie de la sursa de tensiune anodică și o cedează prin intermediul câmpului electric de foarte înaltă frecvență cavităților rezonante. Sub acțiunea câmpurilor din spațiul de interacțiune, adică a câmpului electric creat de tensiunea anodică și a câmpului magnetic creat de magnet, electronii se pun în mișcare descriind traiectorii sub forma unor bucle succesive numite cicloide, caracterizate printr-o mișcare uniformă de translație cu viteza:

(1.1)

și o mișcare de rotație cu viteza lineara R0. Când viteza de translație și viteza lineară în mișcarea de rotație sunt egale, traiectoria pe care se deplasează electronul este o cicloidă așa cum se vede în figura 1.4.

Figura 1.4. Traiectoria cicloidă a electronului

În drumul lor, electronii întâlnesc câmpul de înaltă frecvență care scapă din fante (vezi figura 1.5.)

În interiorul magnetronului electronii care se mișcă în sensul liniilor de câmp (ca de ex. electronul din punctui b) sunt frânati și cedează o parte din energia lor cinetică. Dimpotrivă, electronul din punctul d), care se mișcă împotriva liniilor de câmp este accelerat și absoarbe energie de la câmpul de înaltă frecvență.

Figura 1.5. Distribuția câmpului electric în spațiul de interacțiune

al magnetronului, la un moment dat

Pentru ca energia cedată de electroni să fie mai mare decât energia primită și magnetronul să funcționeze cu randament bun, trebuie ca pe de o parte să se mărească numărul de electroni frânați iar pe de altă parte să se micșoreze numărul de electroni accelerați. În afară de aceasta este necesar ca timpul în care electronii utili (cei frânați) se deplasează de la o fantă la alta să corespundă cu jumătate din perioada osciiațiilor de înaltă frecvență, pentru ca astfel să se găsească în dreptul fiecărei fante tot un câmp frânat.

Mecanismul de mișcare a electronilor în spațiul de interacțiune realizează tocrnai prima condiție. Astfel electronii accelerați iși măresc viteza ceea ce face ca asupra lor să acționeze mai puternic câmpul magnetic. Din această cauză, după ce electronii descriu o traiectorie curbată puternic se întorc pe catod.

Timpul cât electronii interacționează cu câmpul din interiorul magnetronului este mic; de accea energia pe care a absorb de la câmp este redusă.

Electronii frânați (cei utili) descriu bucle mai largi rămânând mai mult timp în spațiul de interacțiune și trecând prin fața mai multor fante ei cedează o cantitate de energie mai mare a câmpului.

Pe lângă cele descrise, în magnetron are loc un alt fenomen important și anume: electronii care se află la o depărtare oarecare de fantă cum sunt cei din punctul a) sunt mai rapizi decât cei din punctul b) având tendința să-i ajungă din urmă pe aceștia, în timp ce electronii aflați în punctul c) sunt mai lenți și pot fi ajunși din urmă de cei din punctul b).

Datorită acestui fenomen are loc o grupare a electronilor pe direcții radiale, ca spițele unei roți (vezi figura 1.6.).

Figura 1.6. Gruparea electronilor în magnetron

Cea de a doua condiție, ca electronii frânați să se deplaseze de la o fantă la alta în jumătate din perioada oscilațiilor de înaltă frecvență, se realizează prin fixarea corectă a intensității câmpului magnetic și a tensiunii anodice.

1.3.Transportul energiei microundelor – ghidurile de undă

1.3.1. Generalități

Ghidurile de undă în sensul cel mai larg al noțiunii, reprezintă domenii dielectrice situate de-a lungul unei axe, separate de mediul înconjurător prin suprafețe conductoare.

În tehnica încălzirii cu microunde se folosesc de regulă, ghiduri uniforme care au conturul secțiunii transversale de formă constantă pe toată lungimea lor.

După forma secțiunii transversale ghidurile de undă pot fi:

dreptunghiulare (fig. 1.7. a)

circulare (fig. 1.7. b)

eliptice (fig. 1.7. c)

în formă de U (fig. 1.7. d)

în formă de H (fig. 1.7. e)

coaxiale (fig. 1.7. f)

Fig. 1.7. Ghiduri de undă uniforme

Ghidurile dreptunghiulare cu pereți metalici, deci complet ecranate cu dielectric aerul, sunt utilizate atât în instalații cu microunde de putere mică (1 – 2 KW) cât și în instalații de putere mare (5 – 10 KW).

Avantajele pe care le oferă utilizarea acestor ghiduri pot fi rezumate astfel:

nu prezintă pierderi prin radiație

prezintă pierderi mici în metalul pereților și în dielectric (aerul)

permit transmiterea de puteri mari

sunt de construcție simplă și robustă

1.3.2. Moduri de propapare în ghid

În ghidurile de undă uniforme câmpul electromagnetic poate fi caracterizat prin componentele tranversale sau axiale ale câmpului electric E și magnetic H.

În funcție de componentele transversale electrice și magnetice se definesc următoarele moduri de propagare a câmpului electromagnetic în ghidurile de undă:

Modurile transversal electrice TE (H) se caracterizează prin aceea că vectorul câmp electric are componente numai în planul transversal, perpendicular pe direcția de propagare iar componenta axială este nulă (Ez = 0). Numai câmpul magnetic are componentă pe direcția axială (Hz = 0), motiv pentru care aceste moduri se mai notează și cu litera H.

Modurile transversal magnetice TM (E) se caracterizează prin existența câmpului magnetic numai în planul transversal (Hz = 0) și a componentei axiale a câmpului electric (Ez = 0).

Modurile transversal electromagnetice TEM se caracterizează prin existența unor componente ale câmpului doar în plan transversal, componente de conectare a ghidului la generatorul de microunde.

Din punct de vedere matematic, modurile de propagare corespund unor soluții particulare ale ecuațiilor Maxwell, obținute în urma înlocuirii în aceste ecuatii a componentelor Ez =0 (pentru modurile TE) și Hz = 0 (pentru modurile TM).

1.3.3. Parametrii caracteristici ghidului de undă

a) Lungimea de undă critică c pentru ghidul umplut cu aer:

(1.2)

Pentru cazul ghidului în care se propagă modul TE10 (H10), lungimea de undă critică devine: λc=2a (1.3)

unde:

a – dimensiunea laturii mari a ghidului

b) Lungimea de undă în ghid kg – reprezintă distanța măsurată de-a lungul axei longitudinale a ghidului pentru care faza câmpului se schimbă cu 2 radiani, fiind egală cu distanța dintre două maxime succesive ale câmpului, considerate la un moment dat.

Lungimea de undă în ghidul umplut cu un dielectric având permitivitatea relativă s, și permeabilitatea magnetică r 1 este dată de expresia:

(1.4.)

Pentru ghidul umplut cu aer, considerănid r r 1 rezultă:

(1.5.)

Tipuri de ghiduri de undă Ia 2450 MHz:

Standard de ghiduri rectangulare pentru frecvența de 2450 MHz

1.3.4. Racordarea ghidurilorde undă

Ghidurile de undă se realizează sub forma unor tronsoane de lungime diferită care se pot monta și demonta Cu ușurintă.

Din această cauză se pune problema racordării tronsoanelor de ghid, cap la cap, cu ajutorul unor flanșe.

Cel mai simplu mod de cuplaj este cel prin flanșe cu contact direct între ele sau prin intermediul unor garnituri metalice de contact (vezi fig. 1.8.).

Garnitura metalică se confecționează dintr-un metal moale cu conductivitate ridicată și i se asigură o formă adecvată pentru a prelua luftul dintre capetele tronsoanelor de ghid.

Dacă ghidul este prevăzut cu instalație de presurizare se montează și o garnitură de cauciuc pentru etanșare.

Figura 1.8 Cuplaj prin flașe cu contact direct

Atât suprafețele de contact ale flanșelor cât și garnitura metalică trebiue să fie foarte bine curățate înainte de montaj pentru a nu apare o rezistanță suplimentară în calea curenților de conducție ceea ce ar putea duce la încălzirea deteriorarea acestora precum la apariția reflexiilor în ghid sau a scurgerilor de energie electromagnetică spre exterior.

Traseul de ghid din instalațiile cu microunde nu este întotdeauna rectiliniu mai ales în situația în care generatorul se află într-o incintă diferită de cea a instalației cu microunde. Ca urmare, apare necesitatea utilizării unor tronsoane de ghid cotite sau curbate în planul câmpului electric sau magnetic.

Pentru evitarea reflexiilor la ghidurile cotite sau curbate, curbarea se face pe o lungime de λg.

1.4.Utilizarea energiei microundelor – aplicatorul

Aplicatorul instalației cu microunde este un ansamblu de dispozitive electrice și mecanice destinat transferului de energie de înaltă frecvență în materialul tratat. La proiectarea și realizarea unui aplicator trebuie să se ia în considerare: proprietățile dielectrice ale materialului, forma și dimensiunile sale, frecvența de lucru, puterea în microunde, modalitatea de procesare (continuă, discontinuă) precum și posibilitatea asocierii cu procedeele clasice de încălzire.

O clasificare a acestor aplicatoare este dificil de făcut având în vedere complexitatea elementelor componente ale instalațiilor cu microunde multitudinea factorilor care influențează concepția și execuția lor.

Cu toate acestea, literatura de specialitate indică trei mari clase de aplicatoare:

monomod

multimod

radiant

Pornind de la această clasificare se poate găsi în literatura de specialitate descrierea unui număr mare de aplicatoare specifice unei anumite aplicații sau unei anumite forme a materialului încălzit.

1.4.1. Aplicator de tip monomod

Din punct de vedere constructiv aplicatoarele monomod sunt în general elemente metalice sub forma unor tuburi a căror secțiune este fie rectangulară fie cilindrică.

Tubul, care constituie incinta de tratament este de fapt un ghid de undă prin care se propagă energia microundelor.

Dimensiunile geometrice ale acestei clase de aplicatoare sunt alese astfel încât:

energia microundelor să se poată propaga (frecvența de lucru mai mare decât frecvența critică)

să existe un singur mod de propagare a energiei numit “fundamental”.

1.4.2. Aplicator de tip multimod

Această a doua categorie poartă denumirea de multimod deoarece dimensiunile aplicatorului reprezintă un multiplu de semilungimi de undă, permițând propagarea unor moduri de ordin superior.

Numărul de moduri de propagare este cu atât mai mare cu cat dimensiunile aplicatorului sunt mai mari.

Aplicatoarele cele mai des utilizate sunt incintele de formă paralelipipedică de dimensiuni care permit tratarea materialelor de diverse forme și mărimi. Un exemplu în acest sens este cuptorul casnic cu microunde.

Dimensiunile incintei (cavității) sunt astfel alese incât frecvența de rezonanță a acesteia să fie egală cu frecvența generatorului atât pe modul fundamental cât și pe modurile superioare care apar în timpul funcționării.

Un element esențial în dimensionarea incintei (cavității) rezonante îl constituie raportul între dimensiunile obiectului de încălzit și lungimea de undă folosită.

Dacă obiectul de încălzit are dimensiuni comparabile cu lungimea de undă, cavitatea poate lucra pe un singur mod de oscilație iar dacă dimensiunile obiectului cresc, cavitatea va trebui dimensionată pentru a lucra pe mai multe moduri de oscilație.

Aplicator de tip radiant

Un sistem care permite o funcționare adaptabilă a sursei de generare a microundelor indiferent de modificările cauzate de variația parametrilor sarcinii pe durata tratamentului, este cel care utilizează elemente de tip radiant.

Construcția aplicatorului de tip radiant necesită realizarea unei suprafețe radiante formate din aliniamente de surse radiante elementare. Această suprafață nu neapărat plană, poate fi dispusă în apropierea produsului de tratat, ansamblul fiind plasat într-o incintă electrică închisă.

Cel mai adesea suprafața radiantă este chiar unul din pereții incintei. Ea trebuie să asigure obținerea pe produs a profilului de putere ales, respectiv a încălzirii dorite plecând de la o putere necesară a sigurată de un număr de generatoare corespunzător.

Această suprafață radiantă este constituită ca o rețea bidimensională de surse elementare (fante radiante) obținute cu ajutorul unei metode de calcul care ține cont de parametrii electrici necesari ai fantei (putere radiată, rezistentă, conductanță) cât și de ușurința realizării și fiabilitatea în timpul funcționării.

CAPITOLUL 2

MECANISMELE ÎNCĂLZIRII CU MICROUNDE

Se cunoaște că transferul de căldură într-un material supus unui tratament termic se poate realiza în principal prin conducție, convecție și radiați, cele trei moduri de transfer termic intervenind în ansamblu, concomitent și consecutiv, în proporții care variază de la caz la caz.

Conducția este un mod de transmitere a căldurii care presupune propagarea acesteia din aproape în aproape din exterior către interior, prin straturile imobile ale aceluiași material, fiind un procedeu caracteristic solidelor.

Convecția este procesul de transmitere a căldurii prin intermediul unui fluid în mișcare, care vehiculează energie termică din zonele de temperatură mai mare în cele cu temperatură mai scăzută.

Radiația reprezintă modul de transmitere a căldurii sub forma de energie radiantă și are loc la gaze, solide și lichide.

Comparativ cu aceste procedee de încălzire clasice ale căror dezavantaje sunt legate de neuniformitatea încălzirii precum și de durata adeseori mare necesară atingerii unei anumite temperaturi, încălzirea cu microunde creează în material gradiente termice inverse, căldura dezvoltându-se în material de la interiorul acestuia către exterior.

Acest efect de încălzire a materialului dielectric se datorează pe de o parte, polarizării particulelor încărcate din material de către câmpul electric de înaltă frecvență, iar pe de altă parte efectului Joule determinat de conducția sarcinilor libere sub acțiunea câmpului electric.

Efectele polarizării și ale conducției electrice au fost studiate în extenso de Debye, Frohlich, Hill, Hasted, în acest capitol se vor prezenta câteva aspecte relevante pentru o întelegere corectă a acestor mecanisme care sunt la originea încălzirii cu microunde.

2.1. Polarizarea

O caracteristică a materialelor dielectrice este capacitatea de a înmagazina energie electrică.

Mecanismul deplasării particulelor încărcate ale materialului din pozițiile lor de echilibru sub acțiunea unui câmp electric, mecanism care poartă numele de polarizare, este diferit fiind funcție de tipul dielectricului și de frecvența câmpului aplicat.

Astfel se deosebesc următoarele clase fundamentale de polarizare:

polarizarea electronică – datorată deformării învelișului electronic al atomilor sub acțiunea câmpului electric

polarizarea atomică – se datorează deplasării relative a nucleelor atomilor atunci când i se aplică materialului dielectric un câmp electric

polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner) – detinită în materialele neomogene ale căror suprafețe de separare (a părților omogene) se încarcă electric la stabilirea câmpului electric între ele.

Dintre acestea polarizarea de orientare polarizarea de neomogenitate la care se adaugă efectul conducției electrice, sunt considerate mecanismele dominante ale încălzirii dielectrice în banda de frecvență a microundelor.

2.1.1. Constanta dielectrică complexă

Înainte de a prezenta fiecare dintre cele trei mecanisme, este necesar să se introducă o mărime esențială ce caracterizează comportarea unui dielectric sub influența unui câmp de înaltă frecvență: constanta dielectrică complexă * definită prin:

*=‘-j“ (2.1.)

unde:

’ – partea reală a * – caracterizează dielectricul din punctul de vedere al capacității sale de a polariza, înglobând pierderi datorate fenomenului de polarizare dipolară asociat cu frecarea dintre molecule

” – partea imaginară a * – factorul de pierderi, înglobează toate efectele disipative datorate pierderilor prin efect Joule și dielectrice

Caracterul complex al constantei dielectrice se demonstrează pornind de la legea lui Ampere – Maxwell:

(2.2)

unde:

Jc – densitatea curentului de conducție generat de deplasarea sarcinilor libere din dielectric sub acțiunea câmpului electromagnetic [A /m2]

B – inducția câmpului magnetic [Wb/m2]

a – permeabilitatea mediului [H/m]

0 – permitivitatea vidului [F/m]

S’ – suprafața parcursă de fluxul electric total [m2]

Pentru câmpuri electrice alternative de forma Emaxejt cum sunt cele aplicate în încălzirea dielectrică, ecuația (2.2.) devine:

(2.3)

dar cunoscând că:

Jc=E legea lui Ohm (2.4.)

și

D=E (2.5.)

vom avea:

(2.6.)

Luând în considerație numai efectul conducției electrice a sarcinilor libere sub acțiunea câmpului electric presupunând că constanta dielectrică este reală contribuind numai la înmagazinarea de energie în sistem, relația (2.6.) se poate aranja sub forma:

(2.7)

în care dând factor comun pe j0 rezultă:

(2.8 și 2.9)

Cum în spațiul liber:

= 0 legea lui Maxwell devine:

(2.10)

Comparând (2.9.) cu (2.10.) rezultă că relația (2.9.) se mai poate scrie:

(2.11)

unde:

(2.12)

poate fi considerată ca o constantă dielectrică efectivă a materialului atunci când efectul conductiv este dominant. De altfel, efectul disipativ indus de fenomenul de conducție electrică este reprezentat în relația (2.12.) de c” – partea imaginară a constantei dielectrice c*.

Prin analogie, contribuția tiecărui tip de polarizare cum ar fi de exemplu, polarizarea de orientare (dipolară) sau de neomogenitate (Maxwell – Wagner), va fi luată în considerație în constanta dielectrică prin termenul imaginar. Astfel, dacă se consideră de exmplu, că polarizarea de orientare este mecanismul dominant, contribuția sa la încălzirea materialului dielectric poate fi cuantificată printr-o constantă dielectrică complexă de o formă similară celei din relația (2.12.):

*=’-jd” (2.13.)

în care indicele – “d” se referă la polarizarea dipolară.

Factorul de pierderi (termenul imaginar), care înglobează efectele disipative ale tuturor mecanismelor ce contribuie la încălzirea dielectrică, se va nota cu ”.

Ca urmare, pentru a satisface legea lui Ampere – Maxwell înt-un dielectric real, constanta dielectrică trebuie să aibă o formă complexă, ce include toate mecanismele de polarizare și relația (2.9.) devine:

a cărei reprezentare fazorială este dată în figura 2.1.

Fig. 2.1. Diagrama fazorială a densității curentului total indus într-un dielectric

Figura 2.1. arată că densitatea curentului total Jt indus într-un dielectric este suma densităților curenților de conducție Jc, și de deplasare Jd, ca efect combinat al conducției electrice al polarizării materialului dielectric sub acțiunea câmpului electric de înaltă frecvență.

Deoarece este dificil de separat efectele datorate conducției de cele determinate de polarizare, ele se pot grupa, definindu-se astfel un factor de pierderi efectiv, care însumează efectele tuturor mecanismelor de polarizare și conducție electrică:

(2.15)

în care:

M-W”() – factor de pierderi datorate polarizării Maxwell – Wagner

d”() – factor de pierderi datorate polarizării de orientare (dipolare)

e”() – factor de pierderi datorate polarizării electronice

a”() – factor de pierderi datorate polarizării atomice

/0 – pierderi datorate conducției

Rearanjând expresia (2.15.) factorul de pierderi efectiv sc poate scrie:

unde:

”() – factor de pierderi datorate mecanismelor de polarizare

În graficul din figura 2.2. este reprezentată variația factorului de pierderi efectiv în funcție de frecvență.

Fig. 2.2 Factorul de pierderi efectiv al unui material dielectric neomogen

În aceste condiții constanta dielectrică complexă relativă se poate scrie ținând cont de relația (2.16.):

(2.17)

și relația (2.14.) devine:

(2.18)

Raportul dintre factorul de pierdere efectiv și constanta dielectrică definesc tangenta unghiului de pierderi efectiv:

(2.19)

și caracterizează capacitatea materialului de a transtorma energia electromagnetică în căldură la frecvență și temperatură date.

Hasted a reprezentat schematic contribuția mecanismelor luate în considerație prin factorul de pierderi al unui material umed în fig. 2.3. în care avem pierderi dipolare depinzând de starea apei conținute în material – b (relaxarea apei legate) și w (relaxarea apei libere) și de asemenea, pierderi Maxwell – Wagner (mw) și prin conducție (c).

Având în vedere că factorii de pierderi prezintă o dependență de frecvență, într-o bandă de frecvență dată, una sau două mecanisme de polarizare le domină pe celelalte.

Datorită faptului că frecvențele microundelor se situează în banda 107 < f < 3×109 Hz, mecanismele luate în considerație sunt cele dipolare de neomogenitate. Polarizările de tip atomic și electronic apar la frecvențe în infraroșu și în vizibil, ca parte a spectrului electromagnetic și nu joacă nici un rol în încălzirea cu microunde.

Ca urmare, voi prezenta în continuare, pe scurt, polarizarea de orientare și de neomogenitate.

Fig. 2.3. Variația factorului de pierderi al unui material umed în funcție de frecvență (Hz)

2.1.2. Polarizarea de orientare (dipolară)

Așa cum s-a precizat anterior mecanismul polarizării dipolare sau de orientare, care se manifestă în gama de frecvențe a microundelor, are la bază rotația dipolilor permanenți în câmpul electric aplicat.

Acești dipoli au tendința de orientare – reorientare sub influența modificării polarității câmpului electric, ceea ce conduce la creșterea polarizării.

La scară macroscopică (cazul E = 0) agitația termică determină o mișcare dezordonată a moleculelor, astfel că suma momentelor electrice ale moleculelor este nulă. Dacă se aplică un câmp electric exterior (E 0) dipolii tind să se orienteze în direcția câmpului.

Acestei tendințe de orientare i se opune agitația termică. Ca urmare se realizează în medie o rotire (orientare) incompletă a dipolilor în direcția câmpului, polerizarea fiind egală cu suma momentelor electrice ale dipolilor conținuți în material și proporțională cu câmpul exterior.

Fenomenul de orientare a dipolilor în câmpul aplicat se traduce în regim alternativ printr-un ciclu de orientare – reorientare a cărui durată este egală cu perioada câmpului electric.

La frecvențe joase, timpul necesar câmpului electric sa-și schimbe direcția este mai lung decât timpul de răspuns al dipolilor și polarizația dipolară este în fază cu câmpul electric. Câmpul electric furnizează energia necesară orientării moleculelor în câmp. O parte din energie este consumată de mișcarea browniană, de câte ori un dipol este deplasat din locul său prin ciocnire apoi realiniat. Energia transferată este mică, temperatura crescând foarte puțin.

Dacă frecvența câmpului electric crește, el își schimbă rapid alternanța și acest timp este mai mic decât timpul de răspuns al dipolilor. Atâta timp cât dipolii nu se rotesc, nu se absoarbe energie și nu se manifestă nici un efect asupra materialului.

În gama frecvențelor corespunzătoare microundelor, timpul în care câmpul electric iși schimbă alternanța este aproximativ același cu durata de răspuns a dipolilor. Aceștia se rotesc datorită cuplului exercitat de câmp și polarizația rezultantă rămâne în urmă în raport cu intensitatea câmpului electric, fenomen numit relaxare dielectrică sau histerezis dielectric.

Considerând un camp electric de înaltă frecvență:

E = Emax sint (2.20.)

aplicat unui dielectric, vectorul polarizație are următoarea formă:

(2.21)

în care – defazajul dintre vectorul polarizație P și vectorul intensității câmpului electric E așa cum se vede și în figura 2.5.

Fig. 2.5. Diagrama fazorială a vectorului polarizație P și a intensității câmpului electric E

Curentul rezultant determinat de redistribuția sarcinilor din material dat de:

(2.22)

are o comonentă în fază cu intensitatea câmpului conducând la disiparea puterii în interiorul materialului ceea ce are ca efect încălzirea acestuia.

Puterea medie disipată în unitatea de volum este dată de:

(2.23)

unde: cos0 – factorul de putere

Este evident că dacă n-ar exista un defezaj între polarizație și câmpul electric nu s-ar mai disipa putere în material și astfel a fost introdusă noțiunea de “pierderi” care se referă la absorbția în material de energie provenită de la câmpul electromagnetic de înaltă frecvență.

Abordarea clasică a comportării dipolilor permanenți dintr-un dielectric căruia i se aplică un câmp electric alternativ aparține lui Debye care a făcut ipoteza că polarizarea de orientare (dipolara) este rezultatul rotației unor dipoli de formă sferică într-un mediu vâscos în care se manifestă forțe de frecare.

Debye a dedus următoarea ecuație:

(2.24)

unde: c și – valori statice ale constantei dielectrice

– timpul de relaxare dielectrică ce caracterizează rata creșterii și descreșterii polarizație (s)

f – frecvența (Hz)

Prin prisma acestui timp de relaxare, mecanismul de polarizare, de orientare este considerat dominant deoarece timpul de relaxare, adică intrevalul de timp în care polarizația crește apoi scade, este un ordin de mărime comparabil cu perioada de oscilație a câmpului de înaltă frecvență.

În cazul celorlalte mecanisme de polarizare, la frecvența microundelor, timpii de răspuns ai particulelor încărcate la acțiunea câmpului electric sunt diferiți de perioada de oscilație a acestuia și în consecință nu au nici un rol în încălzirea materialului dielectric.

Din relația (2.24.) prin separarea în părți egale și imaginare rezultă:

(2.25)

Rezultatele de mai sus se aplică atât lichidelor cât și solidelor și se constată un fapt interesant: valoarea maximă a factorului de pierderi max” corespunzătoare absorbției maxime de energie în material, obținută prin derivarea expresiei (2.24.), este independentă de frecvență și de timpul de relaxare:

(2.26) aceasta realizându-se când = 1.

Variatia funcție de frecvență a constantei dielectrice ’ și ” este reprezentată în fig. 2.6.

Interpretarea ecuațiilor lui Debye permite să se afirme că:

pe măsură ce frecvența crește, dipolii devin incapabili să–și regăsească pe deplin pozițiile inițiale pe durata schimbărilor de sens ale câmpului aplicat și ca o consecință, polarizația dipolară rămâne în urma intensității câmpului electric (relaxarea electrica)

pe măsura creșterii frecvenței se atinge un punct în care polarizația de orientare nu mai poate urmări câmpul aplicat și contribuie foarte puțin la polarizația totală

scăderea polarizației efective se manifestă prin scăderea constantei dielectrice și creșterea factorului de pierderi. Energia este acum preluată de la câmpul electromagnetic și disipată sub formă de căldură în interiorul materialului.

Fenomenul de relaxare dielectrică a fost interpretat de Debye în termenii forțelor de frecare din mediul considerat.

Utilizând teorema Stokes, Debye a dedus expresia pentru timpul de relaxare considerând dipolul o sferă de rază r ce se rotește într-un mediu de vâscozitate :

Fig. 2.6. Dependența de frecvență a caracteristicilor de material ’ și ”

(2.27)

în care:

k – constanta lui Boltzman

r – frecvența de relaxare

T – temperatura

Se observă că dacă temperatura crește și vâscozitatea mediului este mai redusă, moleculelor de dimensiuni mici le corespund frecvențe de relaxare ridicate.

Timpul necesar dipolilor dintr-un lichid, de exmplu, de a se polariza și depolariza este determinat de constanta timpului de relaxare – . Numai când este egal cu inversul frecvenței de excitație, un anume mecanism de polarizare devine dominant.

De remarcat că constanta timpului de relaxare în cazul polarizării electronice atomice sunt mai mici decât 109 secunde aceste mecanisme nu contribuie în mod esențial la încălzirea cu microunde.

2.1.3. Polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner)

Polarizarea de neomogenitate (Maxwell – Wagner) se manifestă mai ales în dielectricii neomogeni care au în strutura lor elemente conductive într-o anumită proporție dispersate în medii neconductive.

Polarizarea Maxwell – Wagner este determinată de apariția unor sarcini pe suprefețele de separare ale părților omogene din dielectricii neomogeni.

Motivul tratării acestui tip de polarizare este acela al contribuției importante a polarizării de neomogenitate la polarizarea totală a unui dielectric neomogen în banda de frecvență a microundelor.

Wagner a arătat că pentru cel mai simplu model care reproduce acest tip de polarizare, model constând din sfere conductoare distribuite într-un mediu neconductor, factorul de pierderi al volumului de material este dat de:

(2.28)

unde: fmax – frecvența pierderilor maxime (Hz)

– conductivitatea fazei conductoare (Sm-1)

– constanța timpului de relaxare

M-W” prezintă la rândul său o dependență de frecvență asemănătoare cu cea a factorului de pierderi din cazul polarizării orientare, cu deosebirea că pe măsură ce conținutul de sarcini conductive din dielectric este mai mare, cu atât este mai importantă contribuția factorului de pierderi M-W” Ia factorul de pierderi efectiv ef’.

Ca o concluzie se poate afirma că procesarea la scară industrială, în banda de frecvențe 10MHz – 3GHz a materialelor dielectrice este practic determinată de cele trei mecanisme: conducția electrică, polarizarea de orientare și polarizarea de neomogenitate Maxwell -Wagner, dacă dielectricul este neomogen.

2.2. Pierderile dielectrice ca efect al fenomenelor de polarizare și conducție

Așa cum s-a menționat în paragraful anterior noțiunea de pierderi dielectrice este asociată cu capacitatea materialului de a absorbi o parte din energia electromagnetica transportată de microunde, energie care se disipă sub formă de căldură în interiorul materialului la frecvențe corespunzătoare relaxării dielectrice.

Conform celor prezentate, ” – factorul de pierderi măsoară eficiența transformării în căldură a energiei transportate de undele electromagnetice, fiind direct legat de pierderile dielectrice, cantitatea de căldură disipată fiind maximă atunci când ” trece prin valoarea maximă.

Pierderile dielectrice sunt fenomene care conduc la încălzirea materialelor dielectrice în câmp de microunde. Ele se datorează pe de o parte, faptului că materialele nu sunt perfect izolante (prezentând o conductanță finită G) – acestea fiind pierderi prin conducție, iar pe de altă parte fenomenelor de polarizare – pierderi dipolare.

Pierderile dielectrice totale dintr-un dielectric supus acțiunii unui câmp electromagnetic de înaltă frecvență sunt date de relația:

P=Pd+Pc (2.29.)

în care: Pd – pierderi dipolare datorate fenomenului de polarizare

Pc – pierderi prin conducție

Din ecuațiile lui Maxwell prin derivări și integrări succesive se obține putrea medie disipată în unitatea de volum de material dielectric, P (W/m3):

(2.30)

sau făcând toate înlocuirile:

P=55,63*10-12fef”E2 (2.31.)

care se mai poate scrie ținând cont de rel. (7.19.):

P = 55,63•10-12f’tgefE2 (2.32.)

în care: f – frecvența

Capitolul 3

Producerea materialelor electroizolante.

3.1 Materiale electroizolante. Generalități

Materialele electroizolante ocupă un loc important în realizarea echipamentelor și aparatelor de joasă, medie și înaltă tensiune. Aceasta se datorează pe de o parte faptului că sunt o categorie de materiale în continuă dezvoltare având în vedere progresele inregistrate în special în chimia macromoleculară, iar pe de altă parte ele determină durata de viață a aparatelor și mașinilor electrice.

Materialele electroizolante (dielectrice) sunt acele materiale care sub acțiunea câmpurilor electrice prezintă fenomenul de polarizare. Acesta apare ca o consecință a deplasării limitate a electronilor sau a ionilor sub acțiunea forțelor generate de câmpul electric. Ca urmare a deplasării limitate a sarcinilor electrice, materialele electroizolante prezintă o conductivitate electrică, respectiv o rezistivitate foarte mare.

Funcția principală a izolației elecctrice este de a izola adică de a preveni trecerea curentului electric între conductoarele care pot avea potențiale electrice diferite. Pentru această funcție este necesar ca izolația electrică să asigure un mijloc de separare fizică a conductoarelor, din care derivă o altă funcție a izolației, o funcție mecanică.

O a treia funcție a celor mai multe izolații este aceea a transferului de căldură. Cele mai multe mașini electrice generează căldură în regim normal de funcționare. Această căldură trebuie eliminată în mod adecvat pentru a preveni acumularea de căldură în exces care poate duce chiar la distrugerea mașinii. De aceea în unele aplicații conductibilitatea termică a izolației poate avea o importanță mai mare decât proprietățile mecanice și dielectrice ale acesteia.

Un material electroizolant trebuie să prezinte proprietăți electrice bune și anume:

rezistență la curenți și scurgere

rigiditate dielectrică mare

rezistentă de izolație mare

constanta dielectrică mică dacă materialul nu se utilizează ca dielectric în condensatoare

factor de pierderi dielectrice mic

rezistență la descărcări luminiscente

rezistența la arc electric

rezistență la radiații

Sunt cerute unui material izolant proprietăți mecanice corespunzătoare precum:

modul do elasticitate mare

rezistență la încovoiere

rezistență la șoc

rezistență la tracțiune, duritate

rezistență la abraziune

În afară de acestea, se impun anumite cerințe din punct de vedere termic:

conductibilitate termică mare

coeficient de dilatare termică liniară, apropiat de cel al metalelor sau de cel al celorlalte materiale cu care este prelucrat împreună

stabilitatea formei la căldură cât mai bună

punct de înmuiere cât mai mare

stabilitate termică

În fine sunt necesare și rezistență la acțiunea substanțelor chimice ca și o capacitate redusă de absorbție a umidității.

Aceste cerințe se referă mai ales la materialele electroizolante solide din care o parte vor fi prezentate în continuare. Desigur, fabricarea unor materiale care să îndeplinească toate condițiile enumerate anterior, adică realizarea unor izolanți universali este practic imposibilă. Se pot obține însă materiale cu anumite caracteristici prin diferite procedee: modificări chimice ale macromoleculelor de bază (realizarea siliconilor), elaborarea unor materiale compuse (materiale stratificate, sisteme de izolații pentru mașini mari) și de asemenea, utilizând tehnologii speciale (izolații de crestătură prin procedee electrostatice).

Aceste caracteristici depind de natura chimică și structura fizică a corpurilor și se modifică mai mult sau mai puțin sub acțiunile simple sau combinate ale diferiților factori externi.

În acest context al producerii de materiale noi având caracteristici superioare celor deja existente, trebuie remarcată apariția materialelor compozite.

Rezultat al unor cercetări de vârf în domeniul producerii materialelor compozitele reușesc să satisfacă cerințele tehnologice actuale, în procese în care materialele existente nu reușesc să facă față acestor cerințe.

3.2. Materialele elegtroizolante pe bază de cauciuc

3.2.1 Generalități

Cauciucul este unul dintre izolanții utilizați de multă vreme în industria electrotehnică.

Cauciucul este un material elastic, modificat chimic prin procesul de vulcanizare și care supus la un efort de întindere se poate lungi de cel puțin două ori în raport cu dimensiunea sa inițială. După anularea efortului de întindere iși revine rapid la forma sa inițială.

Materialele electroizolante pe bază de cauciuc prezintă o caracteristică generală și anume starea predominant elastică care este obținută prin tratament termic în prezența unor ingrediente speciale, cel mai adesea fiind utilizat sulful. Acest tratament care transformă o masă plastică într-o masă elastică se numește vulcanizare.

Procesul de vulcanizare desfășurat la cald, poate fi accelerat dacă se utlizează acceleratori de vulcanizare anorganici sau organici. Substanțele de adaos care se utilizează în timpul formării amestecurilor pentru extrudere reprezintă materiale de protecție contra îmbătrânirii, plastifianți, coloranți și în fine agenți de umplutură (negru de fum și cretă la care se adaugă alumină, bioxid de titan, oxid de plumb, bioxid de siliciu).

Din punctul de vedere al utilizării energiei microundelor în procesele de vulcanizare a cauciucului, interesează în principal două constante de material: permitivitatea relativă ’ și factorul de pierderi ” sau tangenta unghiului de pierderi tg.

În acest context, facem precizarea că acești factori vor fi luați în considerare în gama de frecvențe cuprinse între 400 și 3000 MHz având în vedere că acest interval conține frecvența alocată pentru aplicații industriale ale microundelor.

Determinarea acestor constante dielectrice se face prin tehnici speciale constând în linii coaxiale sau ghiduri de undă pentru care se va evalua constanta de propagare în mediul respectiv sau prin metode de perturbare a rezonanței unei cavități.

Valorile acestor parametri sunt:

’ [2,1 – 14]

” [1363*10-4 – 21*10-4]

3.2.2. Utilizarea materialelor electroizolante pe bază de cauciuc

Tipuri de cabluri electrice cu izolații din cauciuc și domenii de utilizare

Conductoare pentru conexiuni cu izolație din cauciuc rezistente la acțiunea uleiului și combustibililor

Tip: Cff n U; Cff URC; Cff CUC – 200

Tensiunea nominală: 0,78 – 1,5kv c.a.

Cabluri cu izolație din cauciuc pentru locomotive electrice

Tip: Cff CLE; CC 85 CLE
Tensiunea nominală: 1,5kV c.a.

Cabluri electrice pentru instalații de transport și ridicat

Tip: MRCCGI
Tensiunea nominală: 1kV c.a.

Conductoare de conexiuni în izolație de cauciuc siliconic pentru instalații electrice fixe

Tip: FSiff; Fff Si

Tensiunea nominală: 600V c.a.

Cabluri de conexiuni de joasă tensiune cu izolație de cauciuc siliconic

Tip: FSi Jt

Tensiunea nominală: 1kV c.a.

Cabluri de conexiuni de înaltă tensiune, în izolație de cauciuc siliconic

Tip: FSi Ît

Tensiunea nominală: 6kV c.a.

Cabluri de conexiuni cu izolație de cauciuc pentru vehicule

Tip: Cff CCV; Cff CCVn

Tensiunea nominală: 1,5kv c.a.

3.3. Vulcanizarea cauciucului; vulcanizarea cablurilor cu manta de cauciuc

Vulcanizarea este operația tehnologica care conferă cauciucului proprietăți elastice și termice.

În acest paragraf vom prezenta unele aspecte referitoare la vulcanizarea continuă, care se utilizează la fabricația cablurilor electrice cu manta de cauciuc.

Procedeele de vulcanizare continuă a cauciucului sunt dependente de doi factori și anume: conductivitatea termică redusă a cauciucurilor și necesitatea de vulcanizare sub presiune pentru evitarea apariției porozităților.

Toate amestecurile nevulcanizate sub presiune au diferite porozități datorate includerii de sare sau apă, sau eliminării de gaz de către amestecul de vulcanizat. Acest lucru poate fi depășit prin utilizarea unor extrudere cu dispozitive speciale de degajare.

Din punct de vedere al transferului de căldură s-au impus procedeele cu pat fluidizat, baie de săruri și mai nou cu microunde.

În cazul utilizării băilor cu săruri, acestea formează un amestec care are o temperatură de bază de 141oC. Amestecul este încălzit electric până la temperatura necesară vulcanizării de 200oC – 250oC, astfel încât să fie asigurată o fluiditate suficientă pentru a realiza o încălzire prin contact direct cu cauciucul.

Procedeul prezintă însă unele neajunsuri și anume că în cazul unor secțiuni mari, datorită conductivității termice scăzute a masei de cauciuc, baia de săruri tinde să lipească cauciucul de banda transportoare din oțel inox ceea ce duce la deformarea cauciucului.

Al doilea inconvenient este cantitatea mare de săruri pierdute datorită antrenării acesteia de către cauciuc.

Cel mai mare dezavantaj al acestui procedeu constă însă în faptul că lungimea băilor de sare este foarte mare, scăzând din suplețea instalației iar consumurile energetice sunt relativ mari (datorită atât duratei mari de 2 – 3 ore până la aducerea băilor de sare la temperatura dorită, cât și a pierderilor mari de căldură prin radiație pe toată durata procesului).

Trebuie menționat în acest context rolul negativ pe care îl are asupra proprietăților electrice ale cablului prezența impurităților. Acest inconvenient se poate rezolva în două moduri și anume prin:

realizarea unui material cu contaminare redusă de către producătorul de cauciuc crud;

utilizarea unor tehnologii de vulcanizare performante de către producătorul de cabluri, fiind necesară și folosirea unor procedee perfecționate de manipulare a materialelor

Tipuri de materiale electroizolante pe bazã de cauciuc

Cauciucul natural

este un bun material izolant

factorul de pierderi indică, în funcție de frecvență și temperatură o valoare maximă care se aplică prin structura polară a sulfului care intră în componența sa

Fig. 3.2. Permitivitatea relativă și factorul de pierderi dielectrice pentru cauciucul natural cu și fără umplutură în funcție de frecvență

a) 100% cauciuc + 5% oxid de zinc + 2% sulf

b) 100% cauciuc + 5% oxid do zinc + 2% sulf + 100% CaCO3

c) 100% cauciuc + 5% oxid de zinc + 2% suIt + 300% CaCO3

Cauciucul dur (ebonita) este un cauciuc mai puțin elastic, cu conținut de sulf deosebit de mare (40 – 50%).

Domenii de utilizare: Datorită mobilității lor, se utilizează ca izolație electrică pentru conductoarele electrice în exploatări miniere sau pentru conductoarele electrice ale aparatelor mobile.

b) Poliisopropilenul (IR)

Este un produs sintetic obținut prin procedeul de polimerizare. Se vulcanizează și are aceleași utilizări ca și cauciucul natural.

c) Butilcauciucul (IIR)

Este un copolimer al izobutilenei, fiind prelucrabil prin procedee obișnuite în industria cauciucului. Butilcauciucul este vulcanizabil datorită prezenței moleculelor polare în compoziția sa.

Domenii de utilizare: Se utilizează mai ales ca izolație electrică pentru conductoare și cabluri. În ultimul timp a fost înlocuit prin copolimerul etilen – propilenic. Se mai utilizează pentru benzi izolante.

d) Copolimerul etilen – propilenă (EPM); Terpolimerul etilen – propilenă (EPDM)

Reprezintă polimeri din două componente care se pot reticula în anumite condiții. Vulcanizarea se poate face fie în matrițele în care a fost turnat sau extrudat fie în băi de sare topită.

Domenii de utilizare: Se utilizează ca material izolant pentru conductoare, conducte pentru instalații Röntgen, cabluri mobile (tamburi pentru excavat).

3.4. Sisteme de vulcanizare cu microunde a mantalelor de cauciuc ale cablurilor electrice

Capitolul 2 al lucrării pune în evidență faptul că materialele dielectrice supuse unui câmp electromagnetic de înaltă frecvență (microunde) pot fi încălzite datorită pierderilor dielectrice care apar în materiale.

În cazul cauciucurilor, aceste pierderi se datorează proprietăților dielectrice, respectiv constantei dieleetrice și factorului de pierderi, mărimi care sunt înglobate în constanta dielectrică complexă ε*.

Sistemele de încălzire cu microunde (monomod) pot fi utilizate în diverse activități industriale pentru procese de încălzire sau uscare.

O cunoaștere precisă a configurațiilor câmpului electromagnetic a acestor sisteme de încălzire, conduce la posibilitatea plasării materialului dielectric supus tratamentului, în poziția corespunzătoare câmpului electric maxim pentru a se realiza un transfer optim al energiei electromagnetice în material.

Este desigur prezent și un câmp magnetic în pereții cavității, având maximul focalizat la o poziție diferită de aceea a câmpului electric maxim, câmp magnetic care poate fi utilizat pentru încălzirea materialelor metalice.

Aceste cavități reprezintă volume închise cu posibilitatea de a stoca o mare cantitate de energie care este transformată în căldură prin curenții de deplasare de conducție. Curenții de deplasare vor parcurge materialul dielectric cu atât mai rapid cu cât materialul este plasat mai bine în zona de câmp electric maxim.

De regulă, sistemele de încălzire de tip monomod trebuie să funcționeze în cadrul unor benzi de frecvență înguste pentru a menține un randament ridicat al cuplării energiei cu material dielectric. În general, la aceste sisteme de încălzire, câmpul electric dezvoltat este mult mai mare decât în cazul altor tipuri de sistem (multimod, undă progresivă etc.) și de aceea ele sunt recomandate pentru tratarea termică a materialelor cu pierderi dielectrice reduse.

Puterea în microunde injectată în astfel de sisteme poate atinge valori ridicate de până la 107W/m3.

Există un număr mare de aplicații industriale în care aceste sisteme de încălzire cu microunde iși dovedesc eficiența (vulcanizarea cauciucului extrudat continuu, tratarea termică a firelor și benzilor, textile etc.).

În continuare voi prezenta două astfel de sisteme de încălzire (monomod) de construcție diferită care pot fi utilizate în procese tehnologice de fabricație a unor materiale electrotehnice.

Cavități cilindrice; Cavități coaxiale

Cavitățile cilindrice coaxiale provin din ghidurile de undă cilindrice scurtcircuitate la capete.

Distribuția câmpului electric în interiorul acestor cavități le recomandă pentru a fi utilizate în procese de încălzire în flux continuu a materialelor dielectrice, respectiv în procese de vulcanizare.

Pentru a exemplifica acest lucru voi prezenta câteva aspecte teoretice referitoare la aceste tipuri de cavități.

3.4.1. Sisteme de încălzire monomod cu incintă de tratare de secțiune circulară

Sistemele de încălzire cu microunde a acestor materiale dielectrice se prezintă sub o diversitate de forme constructive dar în acest caz, se remarcă prin eficacitate și performanțe un anumit sistem de tratare – sistemul de tip monomod.

Acest sistem de încălzire de tip monomod poate fi clasificat din punct de vedere constructiv în două categorii anume: sistem de încălzire monomod cu incintă de tratare de secțiune circulară și sistem de încălzire monomod cu incintă de încălzire de secțiune rectangulară.

Fig. 3.3. Sistem de încălzire monomod cu incintă de tratare cu secțiune rectangulară

bandă transportoare

filtru

zonă de încălzire

suporți bandă transportoare

cot

sursă microunde

Fig. 3.4. Sistem de încălzire monomod cu incintă de tratare cu secțiune circulară

Determinarea distribuției câmpului electric și magnetic în aceste cavități se face pornind de la ghidurile circulare.

Fig. 3.5. Ghid cu secțiune circulară în sistem de coordonate cilindrice r,φ,z

Metoda de studiu a propagării undelor electromagnetice prin ghiduri cu secțiune circulară este aceeași ca la ghidurile cu secțiuni dreptunghiulare, numai că având în vedere simetria circulară este convenabil să se utilizeze sistemul de coordonate cilindrice z conform figurii 3.5.

În acest caz în ecuațiile lui Maxwell se pun condițiile Hz = 0, se pot exprima celelalte componente ale câmpului electromagnetic în funcție de Ez.

în care: γ – constanta de propagare care depinde de proprietățile din interiorul ghidului, de dimensiunile ghidului și de frecvență

(3.6.)

în care:

ρ’ – rădăcinile derivatei fundamentale Bessel

m – arată variația câmpului de-a lungul razei

n – câte perioade de variație a amplitudinii câmpului se suprapun pe circumferința secțiunii transversale a ghidului

Distribuția câmpului în ghid este prezentată în fig. 3.6.

Fig. 3.6. Distribuția câmpului în ghid circular

Principalii parametri ai ghidului cu secțiune circulară sunt:

lungimea de undă critică

(3.7.)

lungimea de undă în ghid

(3.8.)

impedanța de undă

(3.9.)

Introducerea unui cablu electric cu miez metalic acoperit cu manta dielectrică în ghidul circular, îl transformă pe acesta în ghid coaxial, reprezentat în figura 3.7.

Distribuția câmpului în ghidul coaxil, în secțiune transversală este prezentată în figura 3.8.

Se observă că liniile de câmp electric sunt normale pe suprafețele conductoare ale ghidului circular și suprafața exterioară a conductorului interior, iar liniile de câmp magnetic sunt normale la câmpul electric și cuprinse în întregime în planul transversal. Această configurație de câmpuri nu poate exista în ghidurile circulare, deoarece la acestea din urmă nu există conductor central și deci liniile de câmp electric sau magnetic sunt obligate să se închidă în componenta axială.

Fig. 3.7. Ghid coaxial obținut prin introducerea unui cablu electric într-un ghid circular

1 – dielectric; 2 – conductor de cupru

Fig. 3.8. Distribuția liniilor de câmp electric și magnetic în ghidul coaxial

Revenind la ghidul coaxial, format prin introducerea unui cablu electric cu manta de cauciuc într-un ghid circular, se poate afirma că liniile de câmp electric vor produce în dielectric (cauciucul) pierderi ce vor determina încălzirea acestuia.

Dacă considerăm ghidul coaxial cu dimensiunile prezentate în figura 3.9, puterea maximă generată în microunde care produce încălzirea dielectricului este dată în relația:

(3.10)

în care:

E – intensitatea câmpului electric [V/m]

ε – constanta dielectrică relativă

a, b – dimensiunile ghidului coaxial

s – factorul de undă staționară

Pentru calcule de dimensionare a ghidului circular transformat în ghid coaxial, raportul a/b se alege având în vedere criteriile generale ale ghidurilor de undă, respectiv: putere maximă injectată, constantă de atenuare optimă și eliminarea modurilor de existență a câmpurilor electrice și magnetice nedorite.

Fig. 3.9. Ghid coaxial

3.4.1.1. Variante de ghiduri care pot fi utilizate la vulcanizarea cablurilor cu manta de cauciuc.

Distribuția câmpului pentru unda E10 este prezentată în figura 3.10.

Fig.3.10. Unda E10 în ghidul coaxial

În figura 3.11. se prezintă distribuția câmpului electric pentru unda E11.

Fig. 3.11. Unda E11 în ghidul coaxial

3.4.1.2. Considerații teoretice în cazul sistemelor (aplicatoarelor) cilindrice utilizate pentru vulcanizarea cauciucului

Considerăm o cavitate cilindrică cu doi dielectrici coaxiali (material de încălzit + aer) reprezentate în figura 3.12.

Fig. 3.12. Cavitate cilindrică cu doi dielectrici coaxiali

Valorile intensităților câmpurilor electromagnetice, în regiunea (r < Rw), în interiorul materialului dielectric sunt date de ecuațiile:

unde: Emax – valoarea max. a câmpului el. pe axa z (axial) [V/m]

r – raza [m]

μ – permeabilitatea magnetică a mat. dielectric [H/m]

ε – constanta dielectrică a materialului [F/m]

(3.13)

Rc – raza cavității

În regiunea II ecuațiile de câmp iau forma:

Ez(r) = A2J0(k2r) + B2Y1(k2r) (3.14)

Hφ(r) = j(ε2/μ2)1/2 [A2J1(kr) + B2Y1(kr)] (3.15)

în care: J și Y sunt funcțiile Bessel de ordinul 1 și respectiv 2.

Prin aplicarea continuității componentei câmpului magnetic și a componentei câmpului electric tangențial la interfața dintre aer și dielectric și ținând cont că:

Ez =0 la r = Rc

se obține următoarea ecuație care exprimă rezonanța:

f1(pr2, k0) = f2(k0, Rck0/Rw) (3.16.)

unde: f1, f2 – funcțiile Bessel de primul ordin, respectiv de ordinul 2

pr2 – raportul dintre constantele dielectrice ale dielectricului interior (materialul de încălzit) și a celui exterior (aer)

Rezultă:

k0=ω(ε2*)1/2Rw/c (3.17)

Știind că în majoritatea cazurilor , prin substituirea lui în ecuațiile de mai sus cu partea reală ε’ eroarea introdusă este foarte mică, fiind de circa 3% pentru cauciucul natural la 3GHz (de ex. pentru cauciuc ε’= 2,8 – 3,76 și ε” = 0,05 – 0,28). Luând în considerație această ipoteză calculele se simplifică.

Ecuatia (3.16) se rezolvă grafic prin reprezentarea celor două funcții f1, f2 în funcție de parametrul k0 pentru o gamă de valori ale lui pr2 și pentru Rc/Rw, așa cum se vede în figura 3.13.

Fig. 3.13. Reprezentarea grafică a curbelor funcțiilor f1 și f2

Punctele de intersecție ale celor două familii de curbe, dau valorile lui k0 care satisface ecuația anterioară.

Curbele sunt generale și se aplică în cazul a doi dielectrici coaxiali (de ex. cauciuc + aer) operând la orice frecvență.

Datele specifice ale sistemului pot fi obținute pentru cavități ce operează cu un singur dielectric coaxial la două frecvențe alocate industrial în domeniul microundelor.

De exemplu ecuația:

k0=ω(ε2*)1/2Rw/c conduce la:

k0=0,0514Rw pentru ε2’ = 1; ω = 2πf; f = 2,54•109 Hz

În figurile 3.14. a) și 3.14. b) este prezentată relația de legătură între diametre de cavitate și diametre de dielectric pentru diverse constante dielectrice în gama: 1 < ε1 < 80.

Fig. 3.14. Diametrul interior al unei cavități TM funcție de diametrul dielectricului pentru diverse valori ale constantei dielectrice (a) 896/915MHz; (b) 2450MHz

3.4.1.3. Distribuția de câmp în regiunea dielectrică, în cazul sistemelor de încălzire de tip cavitate

Variația radială a câmpului electric pentru o cavitate cilindrică este dată de relația:

Ez(r) = EmaxJo(kr) (3.18)

valoarea lui Emax fiind legată de proprietățile dielectrice ale materialului dielectric situat de-a lungul axei Oz.

Calculul câmpului electric pe direcție axială (Oz) mediu disponibil – Eav este definit prin formula:

P = ωε0εeffEav2V (3.1 9)

Considerând

V = πRw2h (3.20)

în care h – lungimea pe direcție axială a cavității, se obține expresia câmpului electric axial disponibil:

Eav = EmaxJo(kRw)[1 + J’0(kR) / J0(kR)] (3.21)

3.4.1.4. Alte tipuri de sisteme utilizate în procese de (încălzire) vulcanizare; Cavități cilindrice ce operează pe moduri superioare

Dezavantajul cavităților descrise mai sus (tip TM010) este acela că dimensiunile sale sunt limitate în cazul procesării unor sarcini dielectrice mari, așa cum este cazul conductoarelor de dimensiuni mari.

O metodă pentru tratarea termică (vulcanizarea) acestor cabluri este aceea de a utiliza sisteme ce operează pe moduri superioare, deci de dimensiuni mari sunt dotate cu anumite dispozitive pentru uniformizarea câmpului electric, respectiv uniformizarea încălzirii materialelor dielectrice.

Un asttel de sistem de încălzire este cavitatea de tip TM11n care permite o îmbunătățire a uniformității câmpului electric în planul transversal în care se află dielectricul.

Distribuția câmpului electric și a câmpului magnetic în secțiunea transversală este prezentată în figura 3.16, cu precizarea că în această cavitate sunt prezenți doi dielectrici, caz asemănător cu cel al unui cablu electric cu două conductoare. De asemenea, acest caz se poate generaliza și pentru cablul electric cu trei conductoare în condițiile în care fiecare conductor are deja o izolație electrică (de regulă PVC) care face să apară fenomenul încălzirii selective a celor doi dielectrici.

Fig. 3.16. Distribuția câmpului electric și magnetic de-a lungul diametrului cavității rezonante TM11n linii de câmp electric; – – – linii de câmp magnetic

3.4.2. Sisteme de încălzire cu incintă de tratare cu secțiune rectangulară

Acest tip de sisteme de încălzire în care puterea în microunde injectată în zona de tratare este substanțial absorbită de dielectricul în mișcare pot fi utilizate pentru încălzirea (vulcanizarea) cauciucului.

Ele se caracterizează printr-un factor de undă staționară mic în condițiile unei sarcini mici iar eficiența lor depinde de proprietățile dielectrice ale materialului: ε’ și ε” (sau tgδ), precum și de aria transversală.

Invariabil, aceste sisteme sunt utilizate în procese continue, cu conveiere de transport.

Sistemele de încălzire de acest tip sunt eficiente și se recomandă în special, pentru materialele cu pierderi dielectrice reduse. Este cel mai simplu sistem, având la bază ghidul de undă ce oprează pe modul TE10, cu câmpul electric E perpendicular pe direcția axială de deplasare a dielectricului.

Distribuția câmpurilor electrice magnetice într-un astfel de sistem de încălzire este determinată din soluția în timp și spațiu a ecuațiilor lui Maxwell în cazul modului de propagare TEImn.

Dacă se consideră un mod fundamental TE10n, și se pun condițiile la limită Et = 0, Hn = 0 pe pereții ghidului, componentele de câmp electric și magnetic vor fi date de relațiile:

Ey = Ey0 sinπx/asinβz (3.22)

Hx = Hx0 sinπx/acosβz (3.23)

Hz = Hz0 cosπx/acosβz (3.24)

în care: a – dimensiunea laturii mari a ghidului

z – direcția axială

β – constanta de fază (β = ωt – φ; φ – faza undei)

b – dimensiunea laturii mici a ghidului

dc – lungimea sistemului de tratare, măsurată pe direcție axială

Dimensiunile ghidului sunt prezentate în figura 3.17.

Distribuția câmpului electric în interiorul acestui sistem rezultă din superpoziția undelor directe și reflectate corespunzător valorilor maxime (în centrul laturii mari a secțiunii transversale a ghidului, la x = a/2, așa cum se observă la componenta pe direcția Oy a câmpului electric – Ey.

Fig. 3.17. Coordonatele unui sistem de încălzire cu incintă de secțiune rectangulară

Dacă se consideră o undă directă E+ care se adună vectorial cu o undă reflectată E– rotită cu unghiul θ față de axa verticală, vectorul rezultant este de forma:

Erez = (E+ + E– cosθ)2 + E2sin2θ (3.25.)

așa cum reultă și din diagrama fazorială din figura 3.18.

Fig. 3.18. Diagrama fazorială a componentelor de câmp electric directă și reflectată

Distribuția câmpului electric într-un sistem de încălzire de tipul mai sus menționat este dată de relația:

Ey(x = a/2) = (2)1/2 / 2Ey0(1 – cos2βz)1/2 (3.26)

în care β – constanta de fază dedusă din condiția θ = 2βz.

Avantajele acestor sisteme de încălzire constau în faptul că ele produc o foarte bună încălzire în secțiunea dielectricului.

Secțiunea transversală a ghidului poate fi redusă pentru a crește intensitatea câmpului electric la mijlocul laturii mari a acesteia (vezi fig. 3.19.)

Fig. 3.19. Secțiune transversală redusă pentru creșterea valorii câmpului electric

3.5. Fază tehnologica cu microunde în vulcanizarea izolațiilor de cauciuc a cablurilor electrice

În capitolele precedente am arătat că procesul de vulcanizare a cauciucului constă în principal în menținerea acestuia o durată de timp pe un palier de temperatură de 180 – 200oC.

În aceste condiții cauciucul iși pierde calitățile plastice dobândind calități elastice o duritate corespunzătoare.

Principala problemă pe care o poate rezolva energia microundelor într-o instalație de tipul celor descrise anterior este aceea de a încălzi într-un timp scurt în raport cu cel obținut cu tehnologiile actuale întreaga masă a cauciucului da la temperatura de ieșire a acestuia din dispozitivul de extrudare până la temperatura de vulcanizare de 180 – 200oC.

În figura 3.20. se prezintă trei diagrame de temperatură obținute prin tehnologii diferite.

Fig. 3.20. Diagrame de temperatură obținute prin trei tehnologii diferite

Analizând aceste curbe se constată ca:

sistemul de încălzire cu microunde trebuie plasat pe linia de vulcanizare imediat după extruder, el având rolul de a încălzi într-un timp scurt cauciucul de la 80oC (temperatura la ieșirea din extruder) la 180 – 200oC (temperatura de vulcanizare)

durata de încălzire până la temperatura de vulcanizare poate fi redusă de circa 3,5 ori în cazul utilizării energiei microundelor

sistemul de încălzire cu microunde într-o linie de vulcanizare nu are rolul de a menține palierul de temperatură de 180 – 200oC ci de a ridica temperatura cauciucului până la această temperatură. Palierul de temperatură este realizat și menținut de un tunel prin care circulă un agent termic (aer cald, abur supraîncălzit) montat în continuarea sistemului de încălzire cu microunde.

un modul de încălzire cu microunde poate avea o lungime de circa 8m, iar un modul de menținere a palierului de temperatură are lungimea de 14 m.

În tabelul 3.1. sunt prezentate unele avantaje preconizate a se obține utilizând o tehnologie cu microunde comparativ cu o tehnologie de vulcanizare în flux continuu.

Tabelul 3.1.

3.6. Încălzirea inimilor de cabluri telefonice în flux continuu în vederea impregnării cu o substanță hidrofobă (petrogel) contra pătrunderii apei

Metode convenționale de încălzire

Cablurile telefonice utilizate în telecomunicații, în instalații subterane trebuie protejate împotriva pătrunderii apei ce poate provoca perturbări ale convorbirilor telefonice sau chiar întreruperea lor. Aceste perturbații apar cu preponderență în timpul anotimpurilor ploioase.

Remedierea acestor inconveniente se face cu costuri ridicate și necesită durate mari de timp.

Pentru prevenirea acestor situații, producătorii de cabluri telefonice utilizează o substanță hidrofobă sub formă de gel pe care o injectează între firele cablului telefonic. Rolul acestei substanțe este acela de a umple spațiile libere dintre conductoare astfel încât să împiedice pătrunderea apei.

Operația de injectare a gelului (soluție de tip petrogel) necesită însă încălzirea mănunchiurilor de fire ale cablurilor la o temperatură cuprinsă între 60 – 90oC. Aceste valori de temperatură asigură gelului o fluiditate și face posibilă impregnarea mănunchiului de fire ale cablului telefonic.

Firele cablurilor telefonice sunt realizate dintr-un fir central de cupru cu diametrul de 0,4 mm izolat cu un strat de polietilenă.

Înainte de a prezenta tehnologia clasică de încălzire a mănunchiurilor de fire ale cablurilor, consider utilă prezentarea câtorva tipodimensiuni de cablu telefonic care sunt supuse operației de impregnare.

Tabelul 3.2.

3.6.1. Tehnologii actuale de încălzire a firelor de cablu telefonic

Soluția actuală de încălzire constă în trecerea mănunchiului de fire ale cablului printr-un tunel în care este introdus aer încălzit electric.

Metoda nu asigură însă o încălzire în toată secțiunea mănunchiului de fire, încălzirea fiind mai pronunțată la exteriorul acestuia, astfel că miezul cablului rămâne rece și cum substanța de impregnare are o vâscozitate destul de mare, nu poate pătrunde în spațiile libere dintre fire.

Obținerea unei temperaturi corespunzătoare firelor din interiorul cablului nu se poate face decât prin supraîncălzirea mănunchiului de fire, fiind posibilă deteriorarea izolației electrice a firelor aflate la exterior.

Variația de temperatură în secțiunea unei inimi de cablu de tip 400 x 2 x 0,4 mm (D = 31,4 mm) încălzit cu aer cald este prezentată în figura 3.21.

Fig. 3.21. Variația temperaturii în secțiunea unei inimi de cablu tip 400 x 2 x 0,4mm (D = 31,4mm) încălzit cu aer cald la diferite temperaturi

Propunere de metodă pentru încălzirea cu microunde a inimilor de cablu telefonic

Încălzirea neuniformă, în secțiune a mănunchiului de fire ale cablului telefonic realizată utilizând ca agent termic aerul cald, impune elaborarea unei noi metode de încălzire care să înlăture acest dezavantaj.

Energia microundelor poate fi utilizată la încălzirea inimilor de cablu telefonic, la frecvența de 2450MHz prezența componentelor de câmp electrice (E) magnetice (H) producând atât încălzirea dielectricului (stratul de polietilena) cât și a conductorului de cupru.

Suportul teoretic al încălzirii cu microunde a inimilor de cablu telefonic, rezultă din analogia între cablurile electrice cu izolație de cauciuc și firele care formează inima cablului telefonic.

Utilizând un sistem de tratare de tipul celui descris în capitolul 3.4.1, inima de cablu se consideră ca o linie de transmisie în care au loc fenomene de pierderi dielectrice și prin conducție care duc la încălzirea cablului.

Dacă se consideră două fire ale inimii de cablu telefonic, configurația câmpului electric și magnetic în câmp de microunde este prezentată în figura 3.22.

Fig. 3.22. Distribuția câmpului electric și magnetic între două fire ale unui cablu telefonic

Se observă că între cele două fire apare un camp electric (E) datorat diferenței de potențial dintre ele, dar circuitul electric indus în conductoare dă naștere componentei de câmp magnetic H.

La această configurație de câmp se adaugă interacțiunea componentelor E și H cu componentele de câmp ale firelor învecinate.

Gonsiderând fiecare fir al mănunchiului ca un cablu coaxial, prezența componentelor E și H sunt factorii principali care duc atât la încălzirea dielectricului (izolației electrice) cât și a conductorului de cupru.

Astfel, componenta E produce încălzirea dielectricului datorită fenomenului pierderilor dielectrice care se manifestă în izolație, descrise în capitolul 2 al lucrării.

Componenta de câmp magnetic H determină încălzirea conductorului de cupru prin pierderile Joule care apar în conductor, fiind datorate prezenței curentului de conducție.

Se remarcă faptul că pierderile Joule în conductorul de cupru sunt mult mai mari în cazul mănunchiului de fire comparativ cu un cablu coaxial având secțiunea firului central de cupru echivalentă cu cea a mănunchiului de fire ale cablului telefonic.

Acest fapt poate fi pus în evidență prin compararea pierderilor Joule în cazul unui conductor metalic masiv cu pierderi Joule care rezultă prin împărțirea secțiuni conductorului masiv într-un număr finit de elemente separate, izolate între ele prin dielectric.

În acest din urmă caz, suprafața metalică în care se induce curentul de conducție se majorează de 10 până la 15 ori.

Fiecare element separat considerat mai sus, echivalentul firului telefonic se va încălzi atât ca efect al pierderilor Joule (prin conducție) în conductorul de cupru, cât și ca efect al încălzirii dielectricului.

Trebuie menționat faptul că izolația electrică, încălzită de componenta de câmp E are rolul de izolație termică între conductoarele de cupru, nepermițând răcirea lor în timp scurt.

Concluzionând, se poate scrie expresia pierderilor totale în mănunchiul de fire telefonice ca fiind:

α = αd + αm (3.27.)

în care:

αd = ½ Zd σd atenuarea datorată pierderilor dielectrice (3.28.)

αd – conductivitatea dielectricului [S/m]

Zd = Z0/(εr)1/2 -impedanța dielectricului (3.29.)

Z0 = 120 π impedanța spațiului liber

εr – permitivitatea relativă a dielectricului

αm – atenuarea datorită pierderilor în metal

Pierderile în metal se pot determina din relația:

αm = Rm/Zm (1/r +1/R)/(ln R/r) (3.30.)

Rr = 1/σδ – rezistența electrică corespunzătoare adâncimii de pătrundere în metal a curentului de conducție

δ – adâncimea de pătrundere a curentului de conducție în metal

δ = [2/(ωμσ)]1/2 [m] (3.31.)

ω = 2πf – pulsația [rad/s]

σ – conductivitatea metalului [S/m]

μ – permeabilitatea magnetică [H/m]

Prin alegerea corespunzătoare a frecvenței de rezonanță a sistemului de procesare termică, pierderile în firele cablului telefonic ce au ca efect disiparea de căldură, pot fi majorate.

Prin utilizarea acestei metode de încălzire a firelor telefonice se anticipează obținerea următoarelor rezultate:

încălzire uniformă în toată secțiunea

obținerea prin reglarea nivelului de putere în microunde a unor viteze mari de creștere a temperaturii [ oC/sec] care să satisfacă cerințele de productivitate ale liniilor de impregnare a cablurilor.

reducerea consumurilor de energie cu cca. 50% comparativ cu procedeele actuale

Schița unei instalații cu microunde care poate realiza încălzirea mănunchiurilor de fire telefonice este prezentată în figura 3.23.

Fig. 3.23. Instalație pentru încălzirea cu microunde a mănunchiurilor de fire de cablu telefonic

1 – mănunchi de fire cablu telefonic

2 – filtru de microunde

3 – aplicator microunde de tip coaxial

4 – sursă de microunde

5 – panou de comandă

6 – dispozitiv de injecție petrogel

Uscarea materialelor electroizolante pe bază de ceramic

3.7.1. Generalități

Datorită stabilității lor chimice și dielectrice într-un vast domeniu de temperaturi, ceramicile sunt materiale cu numeroase utilizări în industria electrotehnica electronică. Materialele ceramice frecvent utilizate sunt: porțelanul electrotetinic, stealita, porțelanul pentru înaltă tensiune, ultraporțelanul, ceramica cu oxid de aluminiu, ceramicile cu titați și altele.

În funcție de domeniul de utilizare materialele ceramice se clasifică în:

ceramică de instalații pentru izolatoare și piese izolante de înaltă și joasă tensiune

ceramică de condensatoare

ceramică termică (poroasă) pentru suporturi de spirale încălzitoare și pentru tehnica vidului

Elementele componente ale unora din ceramicile de mai sus sunt prezentate în tabelul 3.3

Tabelul 3.3

Tabelul de mai sus scoate în evidență prezența argilei în compoziția tuturor tipurilor de ceramică, argila fiind un material absorbant de microunde.

În procesul de fabricație a materialelor ceramice, elementele componente specificate în tabelul 3.3. se amestecă cu apa pentru a forma o pastă, sunt formate prin diverse procedee apoi uscate și arse în cuptoare tunel la temperaturi ridicate.

Temperaturile de ardere pentru ceramicile cele mai utilizate în industria electrotehnică sunt:

1250oC pentru ceramică de instalații

1400oC pentru stealită

1700oC pentru ceramici pe bază de oxid de aluminiu

Calitatea ceramicii arse depinde foarte mult de procesul de uscare. Dacă uscarea nu se realizează corespunzător, la ardere se pot produce fisuri sau tensiuni interne în materialul ceramic.

În mod convențional, producătorii de ceramică realizează faza de uscare în cuptoare cu aer cald pe durate de timp relativ mari, impuse de obținerea unei umidități finale remanente foarte mici (0,5 – 1%) a piesei ceramice la ieșirea din cuptor. Această condoție este necesară desfășurării procesului de ardere a piesei ceramice la temperatura ridicată fără a exista pericolul fisurării.

Procedeele de uscare actuale au la bază transferul căldurii în materialul ceramic prin conducție și convecție.

Majoritatea uscătoarelor convenționale sunt de tip convectiv, utilizând ca agent termic aerul cald.

Procesul de uscare se desfășoară lent, gradientul de temperatură între suprafața materialului interiorul acestuia limitează viteza de migrație a apei către exterior. În plus, dacă acest gradient devine important apare riscul creării unor zone foarte uscate la suprafața materialului care împiedică transmiterea căldurii, provocând deteriorarea materialului.

3.7.2. Uscarea cu microunde a ceramicilor

În tehnicile clasice de uscare, energia necesară extragerii umidității din material este aplicată la suprafața acestuia. Căldura se transmite apoi prin conducție către straturile din interior și procesul de transfer de căldură se orientează către o stare de echilibru termic.

În cazul acestui tip de uscare apar dezavantajele legate de durata relativ mare a procesului și de neomogenitatea profilului de umiditate obținut în timp.

Deshidratarea straturilor superficiale determină nu numai o difuzie termică necorespunzătoare dar constituie un obstacol în calea migrării umidității către exterior prin obturarea porilor materialului. În plus, o uscare a straturilor superficiale prea rapidă poate provoca deteriorarea materialului datorită creării unor forțe de forfecare determinate de formarea unei cruste la suprafața acesteia.

Apare astfel necesitatea utilizării unei energii care să genereze o încălzire de volum dacă considerăm că uscarea presupune extragerea apei din volumul unui material.

Grație puterilor de penetrare, microundele permit o încălzire în volum putând înlocui cu succes procedeele clasice de încălzire.

Prin comparație cu încălzirea clasică în care se tinde către stabilirea unui ecbilibru termic în interiorul materialului, se poate afirma că aportul energiei de înaltă frecvență implică un dezechilibru cu atât mai important cu cât materialele supuse tratamentului termic sunt neomogene din punct de vedere al capacității lor de absorbție a energiei.

Rezultă că ecuațiile teoriei migrației termice nu pot descrie în totalitate fenomenele de transfer de căldură care au loc și este necesar să se țină seama în paralel de ecuațiile de propagare a undelor electromagnetice și deci de energia disipată.

(3.32)

Ecuațiile care descriu procesul de transfer de căldură și masă sunt scrise în general, pentru starea de echilibru termic global. Utilizarea energiei microundelor în tratamente termice se bazează pe o așa numită temperatură în afara echilibrului termic adică în prezența în volumul materialului a unor temperaturi locale ale căror gradienți sunt cu atât mai semnificativi cu cât materialul este mai eterogen.

În cazul de față diferența dintre capacitatea de absorbție de energie a apei (constantă dielectrică mare) și cea a materialului ceramic (constantă dielectrică redusă) conduce la diferențe de temperatură importante în material.

Gradienții de temperatură și presiune din interiorul materialului se modifică pe durata tratamentului termic în raport cu cazul uscării clasice.

Forțele interne care apar în acest caz în material sunt pe do o parte responsabile de deplasarea apei către suprafață iar pe de altă parte acționaeză asupra structurii solide favorizând extragerea apei.

Cum faza lichidă se prezintă sub diverse forme, cu caracteristici fizice specifice, analiza procesului de uscare cu microunde trebuie să ia în considerație diversele interacțiuni între fazele umede și energia microundelor.

De altfel, este evident că cinetica extragerii apei din material nu este aceeași în cazul apei de legătură comparativ cu cazul apei absorbite sau al apei libere. Aceste cantități de apă reacționează în funcție de gradul lor de legătură și de capacitatea de a absorbi energie de microunde.

Utilizarea energiei microundelor conduce la uscarea rapidă, instalația în care se realizează fiind mai compactă adecvată automatizării. Originalitatea acestui procedeu constă cu siguranță în modul de generare a căldurii direct în interiorul materialului, încălzirea realizându-se selectiv (încălzirea apei) într-un amestec eterogen, astfel încât procesul de uscare poate fi controlat prin menținerea unui echilibru în interiorul materialului.

Analiza teoretică în acest domeniu al uscării este complexă, comportamentul materialului fiind diferit în funcție de condițiile de uscare. De aceea în majoritatea cazurilor se optează pentru o abordare experimentală care să permită identificarea parametrilor care intervin în diversele procese de uscare.

În figurile 3.23, 3.24 se prezintă evoluția umidității respectiv a temperaturii unui material ceramic supus uscării cu microunde comparativ cu uscarea clasică.

Fig. 3.23 Fig. 3.24.

Fig. 3.23. Variația în timp a umidității unui produs supus uscării cu microunde comparativ cu uscarea clasică

Fig. 3.24. Variația în timp a temperaturii unui produs în procesul de uscare cu microunde comparativ cu uscarea clasică

Analizând graficele de mai sus se observă că durata procesului se reduce la mai puțin de o treime în cazul uscării cu microunde.

Un proces tehnologic de realizare a produselor ceramice în care faza de uscare inițială finală se realizează cu ajutorul energiei microundelor este prezentat în figura 3.27.

Fig. 3.25. Etapele unui proces tehnologic de realizare a pieselor ceramice în care poate fi utilizată eficient energia microundelor

Echipamentele de microunde pentru uscarea ceramicii nu sunt de un grad de complexitate ridicat, ele putând fi concepute și realizate în funcție de forma produselor ceramice.

Unele evaluări bazate pe rezultatele obținute în uscarea cu microunde a produselor ceramice scot în evidență următoarele aspecte:

eliminarea fisurilor sau a altor defecte datorate supraîncălzirilor

uscarea este uniformă în toată masa produsului

uscarea este cu atât mai rapidă cu cât puterea în microunde este mai ridicată

o alegere optimă a pantei de creștere a temperaturii ca urmare a transformării în căldură a energiei microundelor, disipată în produs, elimină riscul apariției fisurilor

la atingerea umidității finale absorbția în produs a energiei microundelor se reduce fiind necesară reducerea puterii de emisie a generatoarelor

elementele de distribuție a energiei microundelor de tip radiant în aplicatoarele în care se realizează procesul de uscare asigură un regim de uscare care elimină riscul apariției fisurilor

Capitolul 4.

Sinterizarea cu microunde a feritelor

În lucrare se discută aspecte teoretice și practice ale sinterizării magneților de ferită prin încălzire cu microunde. Sunt comparate proprietățile fizice și magnetice obținute prin sinterizare cu microunde și prin sinterizare clasică.

Multe articole din ceramică necesită cicluri de încălzire îndelungate și lente pentru a obține proprietăți uniforme ale materialului și pentru a preveni fisurarea materialului sau a mobilierului din jurul cuptorului. Timpul de încălzire poate fi adesea redus prin adaptarea programului cuptorului la datele de rezistență la șocuri termale sau prin îmbunătățiri aduse caracteristicilor de transfer de căldură ale cuptorului. Totuși, aceste îmbunătățiri sunt în ultimă instanță limitate de considerațiile privind temperatura uniformă impusă de conductivitatea termică a materialului însuși. În consecință, reduceri suplimantare ale timpului de încălzire se pot obține numai prin metodele volumetrice de încălzire, ca de pildă încălzirea cu microunde.

Fezabilitatea calcinării sau sinterizării materialelor ceramice prin încălzire cu microunde a fost de curând investigată de către o serie de autori. Totuși, aceste studii au fost foarte limitate ca natură și nu se referă la efectele încălzirii cu microunde asupra microstructurii sau proprietăților materialelor. Dat fiind că granularea ceramicii crește atât în funcție de temperatura de sinterizare de vârf, cât și de perioada de timp în care materialul rămâne în cuptor la această temperatură, s-ar putea ca încălzirea rapidă să afecteze microstructura sau să modifice relațiile obtinând asffel timp-temperatură, materialul proprietăți specitice. Pe lângă acestea, nu s-a raportat într-un mod corespunzător potențialul de reducere a timpului de încălzire pentru sinterizare.

În lucrarea de față se discută aplicarea încălzirii cu microunde pentru sinterizarea magneților din ferită de bariu. În secțiunea care urmează sunt înregistrate originile pierderilor electromagnetice, care sunt răspunzătoare pentru încălzire într-un câmp de microunde. Secțiunile următoare sunt dedicate descrierii unui aparat de sinterizare cu microunde precum și rezultatelor legate de timpul de încălzire și efectele temperaturii și timpul în care materialul rămâne în cuptor asupra proprietăților fizice și magnetice.

4.1. Mecanismele pierderilor la ferita de bariu

Câmpurile electromagnetice au însușirea de a pătrunde și a se propaga în materialele dielectrice ca ferita de bariu. Câmpurile existente în materialul dielectric induc mișcări de tranziție ale sarcinilor libere sau legate, de ex. electroni sau ioni, și rotesc sarcinile complexe, de ex. dipolii electrici și magnetici, care sunt prezenți în întregul volum al materialului. Deoarece mișcărilor induse li se opune rezistență de către forțele de inerție, elastice și de frecare, reacția electromagnetică este general în funcție de frecvența aplicată. În consecință, încălzirea electromagnetică volumetrică, care rezultă din frânarea frecării mișcărilor induse, depinde de asemenea de frecvența aplicată.

Reacția electromagnetică a feritei de bariu este caracterizată printr-o conductibilitate complexă, ε , și o permeabilitate complexă, μ. Pe lângă dependența de frecvență aceste proprietăți sunt în funcție de temperatură, de mărimea câmpurilor electrice magnetice, de orientarea și starea magnetică a domeniilor magnetice, precum și de maniera de preparare a materialului. Din cauza naturii complexe a acestui subiect, dimensiunile acestui studiu se limitează la dependența de frecvență a proprietăților magnetice și electrice în condițiile unui semnal scurt.

Permeabilitatea μ a unui material este definită prin relația B = μH = μ(H+M), unde B este densitatea fluxului (Wb/m2), H este intensitatea câmpului (A/m), M este magnetizarea (A/m), iar μo este permeabilitatea spațiului liber (4π x 10-7 H/m). Pentru nivele de câmp mai miei, magnetizarea este proporțională cu intensitatea câmpului, iar permeabilitatea relativă inițială,

, este atunci o constantă.

Pierderile care se produc în material din cauza unui câmp magnetic care variază în funcție de timp sunt incluse în termenul de permeabilitate relativă notându-l pe μ, ca număr complex,

μr = μ’ – jμ”, unde .

Termenul μ”, care descrie pierderea magnetică, apare din forțele de frânare cauzate de fricțiunea internă din timpul rotării domeniului de propagarea peretelui/zidului lui Bloch. Permeabilitatea este dată de către μ. La un moment dat în timp și spațiu, rata căldurii generată per unitate de volum provocată de pierderile magnetice este dată de către

frecvența.

Spectrul magnetic al permeabilității inițiale, așa cum a fost măsurat de către Smit și Wijn, este prezentat în fig. 4.1. Cazul (a) corespunde răspunsului la frecvență al unei mostre/probe orientate în așa fel încât axele c ale cristalitelor sunt normale față de câmpul magnetic utilizat.

Câmpul cu aceasta orientare nu trebuie să provoace o mișcare domeniu-perete și, de aceea, permeabilitatea inițială trebuie să fie scăzută, după cum indică rezultatele. În cazul (b), axele c ale cristalitelor sunt paralele cu câmpul magnetic utilizat iar mișcarea domeniu-perete trebuie să se producă instantaneu. Permeabilitatea initială mare la frecvențe joase din fig. 4.1.(b) este o dovadă grăitoare a faptului că lucrurile se petrec într-adevăr așa. În cazul (c), orientarea cristalitelor este întâmplătoare așa cum era de așteptat, permeabilitatea se situează la valori intermediare celor din cazurile (a) și (b).

Pierderile de vârf ale lui μ” care sunt mai pronunțate pentru cazul (b), apar în apropiere de 20 și 200 Mhz și sunt asociate cu o descreștere rapidă a valorii lui μ’. (Un regim de dispersare suplimentar, care nu este prezentat în figură apare în apropiere de 50 Ghz se datorează rezonanței feromagnetice).

Comportamentul de dispersare care apare la 200 Mhz poate fi explicat în termenii rezonanței domeniu-perete, iar valorile lui μ’ mai mici decât o unitate vin în sprijinul acestui punct de vedere. Oricum, lipsește un model satisfăcător pentru dispersia la 20 Mhz, iar comportamentul nu reprezintă nici o simplă relaxare, nici o simplă rezonanță. Precum observă Smit și Wijn, dispersia la frecvență joasă nu se produce când materialul este măsurat în stare fragmentată.

La ferita de bariu fin pulverizată sinterizată la temperatură joasă, pierderile de vârf se ridică în frecvență la 200 Mhz și 1000 Mhz, iar tangenta de pierdere (μ”/ μ’) la 1 Mhz este de doar 103 (Ref 4). Această situație de obicei este tipică mai degrabă pentru feritele verzi decât ceea ce rezultă din datele oferite de fig. 4.1. Frecvența joasă inițială μ’ este de doar 1,7, indicând faptul că deplasările domeniu-perete sunt în mare măsurã suprimate.

Efectelor temperaturii și amplitudinii câmpului magnetic asupra spectrului magnetic nu li s-a acordat suficientă atenție în literatura de specialitate. Deoarece temperatura Curie a feritei de bariu este de 450oC pierderile magnetice ar trebui să fie importante numai în treimea interioară a graficului de temperatură a ciclului de sinterizare. (Din cauza dimensiunilor mici ale cristalitelor, încălzirea prin curent turbionar nu reprezintă un factor semnificativ în încălzire).

De aceea, caracteristicile încălzirii cu microunde vor fi în principal dominate de caracteristicile dielectrice de pierdere ale feritei. Dispersia dielectrică caracteristică feritelor de bariu constituie subiectul următoarei subsecțiuni.

Prin analogie cu cazul magnetic, caracteristicile dielectrice pot fi descrise printr-o constantă ε, dată de către ε 0 (ε’ – j ε”) unde ε0 reprezintă conductibilitatea spațiului liber (8,85 x 10-12 F/m), ε’ este constanta dielectricà relativă, iar ε” este factorul de pierdere (care include pierderile produse datorită curenților de transmitere deplasare). Factorul de pierdere este în legătură cu conductivitatea totală efectivă, σ, prin σ = σc + σd = ωε0ε”, unde σc și σd sunt conductivități produse prin curenții de transmitere, respectiv de deplasare.

Continuând analogia cu cazul magnetic, rata căldurii generate per unitate de volum povocata de pierderile electrice este dată de către Pc = ωε0ε” unde E este intensitatea câmpului electric (V/m).

La frecvențe joase, unde curenții de deplasare pot fi neglijați, conductivitatea la temperatura camerei a feritei de bariu pure este de ordinul 10-5 până la 10-9(Ω.cm) -1. Deoarece ferita de bariu este un semiconductor, conductivitatea de joasă frecvență, σtf, este în legătură cu temperatura, T, conform unei relații de tipul σtf = σ0 exp (-W/kT), unde σ0 și W sunt constantele materialului iar k este constanta lui Boltzmann. Aceasta conductivitate apare din transferul în salturi al electronilor între ionii adiacenți de Fe2+ și este în mod esențial independentă de frecvența. Deoarece numărul de agenți transmițători nu variază în mod semnificativ cu temperatura, creșterea conductivității odată cu creșterea temperaturii se datorează creșterii mobilității. Oricum, numărul de agenți transmitători și, prin urmare, conductivitatea la o anumită temperatură, pot să crească prin adăugarea unui număr de ioni excedentari (având în vedere stoichiometria) care trec în retea / structură ca ioni Fe2+.

Măsurătorile privitoare la temperatură și dependența de frecvență a constantei dielectrice și a conductivității, prezentate de către Haberey și Wijn pentru o probă de ferită de bariu cu 0% Fe2+, sunt înregistrate în Fig 4.2. Datele constantei dielectrice arată că coeficientul de temperatură a materialului dielectric este pozitiv până la 150oC și că majoritatea variațiilor în funcție de frecvență apar sub 1,5 GHz. În cazul datelor privind conductivitatea, coeficientul de temperatură este în general pozitiv la o temperatură mai mare decât cea a camerei, iar conductivitatea este insensibilă la frecvență în jur de ≈ 30 MHz. Aceste proprietăți dielectrice pot fi puternic afectate de către ionii de Fe2+ ,iar Dullenkopf și Wijn au arătat că conductivitatea de înaltă frecvență este proporțională cu concentrația de Fe2+ din registrul de frecvență 2 – 8 Ghz. Observați că sporind concentrația de Fe2+ cu 0 – 0,24% duce la o creștere atât a lui ε cât și a lui σ cu câteva ordine de magnitudine la 20 kHz.

La fel ca și în cazul datelor magnetice, datele dielectrice de rnai sus sunt valabile pentru ferită policristalină sinterizată și nu se pot aplica în mod direct la feritele verzi. Evident, porozitatea mai mare a feritei verzi trebuie să ducă la valori mai scăzute ale constantei dielectrice și conductivității dar direcțiile în care acționează frecvența temperatura trebuie să fie similare cu cele ale materialului mai dens.

Fig. 4.1. Spectrul magnetic al unor probe de ferită

sinterizată (densă) având texturi de cristale diferite Fig.4.2. (A) Constanta dielectrică relativă și (B) conductivitatea feritei de bariu (densă) cu 0% Fe2+ (din Ref.4)

4.2. Experiențele de sinterizare cu microunde

Magneții sub formă de disc folosiți pentru experiențele de sinterizare cu microunde au fost preparați prin presarea uscată izotropă a feritei de bariu cu un adaos mic de liant organic. Dimensiunea individuală crudă a fost de ordinul 1,27 cm diametru și 0,3 cm grosime. Experiențele inițiate cu acești magneți au arătat că producția cea mai bună de energie pentru tehnicile de sinterizare convențională s-a obținut la o temperatură de sinterizare de vârf de 12300C și o oprire de 45 minnute la această temperatură.

Experiențele de încălzire cu microunde au fost efectuate într-un cuptor cu microunde de 2450 MHz.

O primă caracteristică a acestui cuptor este folosirea unei plăci de fixare absorbantă de microunde pentru a sprijini magneții. Deoarece atât placa de fixare cât și ferita se încălzesc în câmpuri de microunde, problema radiației căldurii pentru magneții în contact cu placa este eliminată. În plus, căldura evacuată de la partea inferioară a acestei plăci încălzește interiorul cavității izolate.

Temperaturile au fost urmărite print-un termocuplu placat cu metal localizat la aproximativ 1cm deasupra feritei. Este de notat de asemenea că izolația cu fibră uranică, care a fost folosită pentru a forma inelul de siguranță și cutia izolantă de 10 cm grosime este invizibilă pentru radiații de microunde și nu se încălzește în câmp de microunde.

Experiențele inițiale s-au preocupat de determinarea vitezelor de încălzire maxime pentru o șarjă minima de 410 grame ferită. Mărimea șarjei corespunde la o adâncime de 2 cm a magneților în inelul de siguranță. Numeroase procese de uscare au arătat că o viteză de încălzire aproape consatntă de 50C/minute ar putea fi folosită de la temperatura camerei până la 1230oC fără pericolul de fisurare a magnetului. Timpul total de încălzire, incluzând arderea a fost de ordinul 135 minute. De notat că necesarul de putere de microunde care a variat de la 300W la temperatura camerei la 900W la 12300C, a fost în concordanță cu calculele bazate pe datele despre căldura specifică și pierderea de căldură prin izolații. Vitezele de încălzire au fost reglate prin reglajul manual al puterii microundelor la intervale de 5 minute.

Experiențele ulterioare, care au folosit aceeași dimensiune de șarjă viteza de încălzire de 90C/min., au fost preocupate de determinarea efectelor temperaturii de sinterizare și a timpului de oprire asupra proprietăților fizice și magnetice. Au fost folosite pentru această evaluare 3 nivele de temperatură de vârf (11770C, 12050C și 12330C) și două nivele de timp de oprire (25 și 45 mm.). Rezultatele au fost discutate în următorul capitol.

4.3. Efectele temperaturii de vârf și a timpului de oprire asupra proprietăților magnetice

Pentru comparație sunt date de asemenea proprietățile magnetice tipice ale magneților sinterizați convențional, în condiții care dau o energie produsă maximă. Variațiile proprietăților magneților sinterizați de microunde au urmărit schema cunoscută pentru sinterizarea convențională. De fapt când proprietățile magneților sinterizati cu microunde și convențional sunt comparate la condițiile pentru care rezultă o producție maximă de energie, nu este nici o diferență convențională pentru nici o proprietate. Singura diferență aparentă în acest caz este că apare condiția de producere a energiei de vârf la temperaturi mai mici pentru sinterizarea cu rnicrounde, și anume 1205oC față de 1233oC. Totuși, deoarece temperatura aerului de deasupra feritei a fost urmărită în ambele cazuri mai degrabă decât temperatura materialului, această diferență de temperatură poate să nu fie reală. Așa cum se așteaptă de la rezultatele magnetice, proprietățile fizice obținute pentru sinterizarea cu microunde și convențională au fost de asemenea foarte asemănătoare. Rezistența și integritatea fizică, contracția procentuală și caracteristicile de densitate au fost comparabile din toate punctele de vedere.

4.4. Este sinterizarea cu microunde practică ?

Deși eficiența energetică globală a încălzirii cu microunde este considerată în general ridicată, multe din aplicațiile industriale curente ale microundelor nu sunt justificate datorită costurilor energiei. Această situație se datorează faptului că echipamentul de încălzire cu microunde este scump în comparație cu echipamentul conventional (pe o bază de putere de ieșire specifică) și energia electrică este scumpă în comparație cu cea disponibilă din combustibilii fosili. Economiile totale rezultate de la cerințele de spațiu redus, produsele in-oven și produsele de susținere reduse, dimensiunile mai mici ale echipamentului mai mic și îmbunătățirea calității produsului sporesc în general avantajele economice.

Rezultatele experimentale arată că sinterizarea cu microunde, pentru condițiile date, duce la un produs comparabil, dar nu superior celui obținut prin metode convenționale. În acest caz, liniile de ghidare de mai sus sugerează viteze de prelucrare semnificativ mai mari și/sau îmbunătățiri substanțiale ale duratei de viață a utilajelor cuptorului ar fi necesare sinterizării cu microunde pentru a fi competitivă cu metodele convenționale de sinterizare. Aceste avantaje ar trebui să fie maxime pentru aplicațiile unde este foarte dificilă încălzirea rapidă prin metode convenționale, și dimnesiuni mari ale magnetului, uscarea lianților cu apă etc.

Separat de liniile directoare de mai sus este dificil de răspuns întrebărilor practice fără a considera o aplicație specifică fără o evaluare a prototipului real. Disponibilitatea echipamentului este o problemă importantă aici, deoarece nu se cunosc producători sau cuptoare prototip la scară mare pentru sinterizare cu microunde.

O preocupare suplimentară este necesitatea de a optimiza materialele și tehnologia pentru prelucrarea cu microunde la temperaturi înalte. Încălzirea cu microunde, de exemplu, este aplicată cel mai bine pentru încălzirea rapidă, în timp ce încălzirea convențională este mai bună pentru menținerea unei temperaturi (de oprire) fixe. Din această formulare rezultă că un sistem hibrid utilizând atât încălzirea convențională cât și cea cu microunde, poate fi optimă pentru sinterizare. Influența posibilă a recuparării căldurii, diferite tipuri de izolatori etc. trebuie de asemenea luată în considerare. Pe scurt, rămân multe de făcut în domeniul analizei economice dezvoltării echipamentului; totuși, potențialul de aplicare practică pare a fi real.

4.5.Concluzii

O trecere în revistă a proprietăților electromagnetice a feritei de bariu a arătat că sunt eficiente mecanisme de pierdere – unul magnetic și două dielectrice – în domeniul frecvenței de microunde. Rezultatele experimentale au arătat că magneții din ferite de bariu pot fi sinterizați forte rapid prin încălzire cu microunde că proprietățile fizice magnetice ale sinterizării cu microunde și convenționale sunt comparabile. Ca o consecință a vitezelor de încălzire rapidă ale sinterizării cu microunde, se pot construi cuptoare cu microunde de dimensiuni semnificativ mai mari decât este posibil pentru tehnologia convențională de sinterizare.

Capitolul 5

Sinterizarea cu microunde a supraconductorului YBA2

Supraconductorul YBa2Cu3O7-δ 92K a fost sinterizat într-o cavitate cu microunde. În pofida comportamentului său asemănător metalelor, acest material nu prezintă nici un fenomen de fisurare. Caracteristicile ceramicilor sinterizate – microstructura și proprietățile de supraconductor – sunt apropiate de cele observate la ceramicile sinterizate în manieră clasică, sugerând posibilitatea de a aduce îmbunătățiri procesului pentru aplicații practice.

5.1.Introducere

Descoperirea supraconductibilității la temperaturi înalte la oxizii pe bază de cupru este de importanță capitală pentru industrie nu numai în domeniul peliculelor subțiri folosite în electronică, ci în cazul ceramicii. Oricum, s-a observat că slaba lungime de coerență a acestor noi materiale necesită o microstructură specială, implicând limite de granulare/de formare a fibrelor foarte clare pentru îmbunătățirea situației curenților critici la aceste ceramici. În acest scop ar fi interesant de înlocuit sinterizarea conventională cu sinterizarea într-o cavitate cu microunde. S-a demonstrat într-adevăr că pentru oxizii refractari materialele dielectrice se pot obține microstructuri foarte fine, mult mai fine decât cele obținute într-un cuptor clasic, folosindu-se un timp foarte scurt de reținere a materialelor în cuptor și realizându-se caracteristici dielectrice diferite (1,2,3). Cu toate acestea, metalele nu pot fi sinterizate într-o cavitate cu microunde, datorită înaltei lor conductivități, deoarece microundele – ca să ne exprimăm astfel – sunt reflectate de un obiect metalic; câmpul electric din metal fiind egal cu zero, penetrarea curenților de înaltă frecvență poate să aibă loc doar la o mică adâncime (efect de suprafață). Astfel, precursorii folosiți până acum la sinterizarea supraconductorilor cu înaltă Tc nu ne apar ca potențiale materiale, datorită caracterului lor asemănător metalelor (ρ = 10-3 Ωcm-1 la temperatura camerei).

Ford, Pey (4) și Badot (5) au arătat că într-adevăr o creștere a conductivității unui material, chiar dacă nu e suficientă pentru a împiedica penetrarea câmpului, modifică pierderile în interiorul ceramicii și poate duce la un fenomen de fisurare. În consecință, există pentru conductori o temperatură de fisurare peste care materialul nu mai poate fi încălzit.

Acest fenomen se manifestă și pentru oxizi, ca de pildă feritele, care, după părerea lui Krage (6), pot fi sinterizate într-un cuptor cu microunde, dar numai fotosind o placă de reglare absorbantă de microunde, aflată în legătură cu magneții. Oricum, s-a demonstrat de curând și sinterizarea feritelor într-o cavitate cu microunde fără a se folosi nici un fel de suport de absorbție (7), schimbându-se radical geometria diafragmei de contact / irisului de cuplare dintre dispozitivul de ghidare și cavitate la materialele dielectrice normale. În consecință sinterizarea cu microunde se poate extinde la un spinel semiconductor conținând fier. Ne referim în această lucrare la sinterizarea cu microunde a spraconductorului 92K – YBa2Cu3O7-δ.

5.2.Prepararea probelor / mostrelor

Materialul folosit pentru sinterizare s-a preparat dintr-un amestec de Y203 (Aldrich 99,9%), BaCO3 (Rhone Poulenc 99%) și CuO (Rhone Poulenc 99,5%). 0 cantitate de 15 gr s-a amestecat cu 12 ml de etanol într-un mixer plan, vreme de 30 de minute. Suspensia rezultată s-a uscat cu ajutorul unui epiradiator cu infraroșii, s-a desfăcut / dezaglomerat și calcinat la 930oC vreme de 4 ore, cu o rată de încălzire și răcire de 800oC C/h. Materialul astfel sinterizat prezintă o structură de difracție cu raze X caracteristică pentru YBa2Cu3O7. După calcinare, pulberea este din nou desfăcută / dezaglomerată presată izostatic sub 3000 kg/cm2 sub formă de cilindri (Φ = 6 mm, 1 = 25 mm).

5.2.1. Comportamentul precursorului 1W YBa2Cu3OZ-S sub microunde

Cilindrul este introdus într-o cavitate cu microunde Cu un singur mod de funcționare, prevăzut cu un piston cu circuit scurt, permițând modificarea rezonanței cavității (fig.5.1). Întregul dispozitiv, schematizat în fig.5.2, permite ca puterea absorbită de material să fie controlată automat. Spre deosebire de materialele dielectrice, YBa2Cu3O7-δ se caracterizează prin ușurința controlului și a modulării energiei absorbite (fig.5.3).

Fig. 5.1. Cavitate monomod / cu un mod de funcționare

folosită pentru a sinteriza YBa2Cu3O7-δ

short circuit piston = piston cu cursă scurtă

sample = probă / mostră

field detector = detector de câmp

coupling iris = diafragmă de contact / iris de cuplare

hot area of the sample = zona fierbinte a probei / mostrei

IR pyrometer = pirometru cu infraroșii

Figura 5.2. Linia de asamblare

Ad : adaptor de impedanță; Ci : circulator; At : atenuator cu circuit de apă; S : probă; C : iris de cuplare / diafragma de contact; C : generator cu microunde; AL : sarcină adaptată; M : motor în trepte; P : pirometru

Figura 5.3. Evoluția puterii reflectate și a câmpului electric versus timp,

corelată cu evoluția rezonanței cavității

reflected power = putere reflectată (unitate arbitrară)

electric field = câmp electric

length of the cavity = lungimea cavității

resonnance of the cavity = rezonanța cavității

Evoluția puterii reflectate în timp, corelată cu lungimea cavității este foarte rapidă. Cilindrul absoarbe radiația microundelor de îndată ce lungimea cavității descrește pentru a se acorda / adapta situației. Astfel, încălzirea barei începe rapid, fără nici o perioadă de inducție. Mai mult, nu este necesar un câmp minim pentru a induce încălzirea. Astfel, evoluția puterii reflectate, și la o primă aproximare, a puterii absorbite este în legătură directă cu acordarea / adaptarea cavității, dcci cu câmpul electric. Spre deosebire de aceasta, la ceramicile dielectrice nu se observă nici o modificare pe parcursul sinterizării care să se datoreze evoluție proprietăților electromagnetice ale materialului.

Pentru structura / geometria descrisă mai sus, o putere incidentă de 100 watt, corespunzând unei puteri absorbite de 50 wați, permite să se atingă o temperatură de 950oC la suprafața probei (măsurătorile au fost efectuate cu un pirometru cu infraroșii).

5.3.Caracteristicile ceramicilor sinterizate

Caracteristicile au fost măsurate fie pe probe răcite încet (obținute printr-o scădere treptată a absorbției în cavitate), fie în probe răcite brusc (obținute prin întreruperea bruscă a generatorului). Ambele probe au fost tăiate în formă de disc cu fierăstrărul. Discurile au fost apoi reîncălzite la 450oC într-un curent de oxigen vreme de 4 ore.

5.3.1. Proprietățile supraconductivității

Evoluția coeficientului de rezistență R(T)/R(300k) versus temperatură (fig. 5.4.) arată că ambele feluri de ceramici, sinterizate sub microunde și într-un cuptor clasic (950oC, 2h în aer și reîncălzite sub curent de oxigen la 450oC, 4 h) prezintă un comportament foarte asemănător cu o rezistență zero sub 90k. De asemenea trebuie notat faptul că ambele probe testate la microunde, răcite încet și brusc, prezintă o curbă absolut identică după reîncălzirea în oxigen. Spre deosebire de aceasta, măsurătorile curenților critici arată că tratamentul termal dinainte de reîncălzire joacă un rol important. VaIorile Jc de 8OA/cm2 și 20 A/cm2 se observă la probele sub microunde răcite încet, respectiv la cele răcite brusc. Mai mult, acești curenți critici sunt mai mici decât cei care s-au observat la probele sinterizate într-un cuptor convențional (JC> 100 A/cm2).

Fig. 5.4. Rezistivitate versus temperatură la YBa2Cu3O7-δ

Sinterizare prin microunde – – –

Sinterizare cu cuptor clasic – . – . –

Sinterizare cu microunde cu putere incidentă Pi = 100 putere absorbită Pa = 50 W pe parcursul a 30 mm

probă răcită încet

probă răcită brusc

Sinterizare cu cuptor clasic

950o C-2H

Fig. 5.5. Microstructuri la YBa2Cu3O7-δ

Sunt prezentate două exemple de micrografii SEM luate în observație pentru probele sinterizate cu microunde, spre comparație cu materialele sinterizate în manieră clasică. Se observă forma alungită a granulelor / fibrelor, care oricum este mai puțin pronuntată decât în cazul sinterizării clasice. Porozitatea destul de accentuată explică în toate cazurile valorile scăzute ale curentului critic.

Merită a se preciza că la ceramicile sinterizate cu microunde se observă o creștere semnificativa a granulelor / fibrelor, ducând la diametre ale granulelor / fibrelor de până la 10 μm. Acest rezultat este forte diferit de cel observat la feritele la care s-au înregistrat garnule / fibre foarte fine. În schimb, microstructurile nu prezintă variații drastice între miezul și periferia barelor, exact ca și la ferite, în concordanță cu absența gradientului de temperatură la ceramicile conductoare.

5.4.Concluzie

S-a demonstrat sinterizarea cu microunde a materialelor spraconductoare. Comportarea acestor conductori deosebiți este foarte asemănătoare celei constatate la materialele dielectrice. Mai mult, controlul puterii absorbite pare a fi mai simplu pentru compușii “123” decât pentru dielectrice, deoarece nu necesită o creștere bruscă a pierderilor, care ar implica o descreștere subită a câmpului electric în cavitate.

BIBLIOGRAFIE

Rulea, G. – Tehnica frecvențelor foarte înalte, Ed. Tehnică, București, 1966

Rulea, G. – Bazele teoretice și experimentale ale tehnici microundelor, Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1989

Sandu, D.D. – Dispozitive electronice pentru microunde, Ed. Științifică și Enciclopedică, București, 1982

Microwave Power Engineering, Edited by Ernst C Okress, Academic Press, New York and London, 1968, vol.2

Gourdenne, A. et all. – Polymer Prepoint, 1981

Delmotte, M. – Macromolecular Chemistry, 1987

Priou, A., Aussudre, S. – Interet de I’utilisation du rayonnements microondes dans les procedees et fabrication de materiaux composites, Publication Dermo, Centre d’Etudes et de Recherche de Toulouse, Onera, 1986

Mingos, Baghurst, D. – Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry, Chemical Society Revue, no.20, 1991

Miron, D., Tucă, Cuciureanu, V. – Microundele în procese industriale, Editura ICPE, 1995

Pellissier, J. – Fabrication en continu par un procede de collage utilisant micro-ondes de profile en materiau dielectrique, Brevet francais no. 2502884 (8106053), 24.03 1981

Roussy, G., Chennot, P. – Selective Energy Supply to Adsorbed Water and Non-classical Thermal Process During Microwave Dehydretation of Zeolite, in Proceedings of the IMPI Symposium, Toronto, 1981

Fanslow, Burkholder, H., Bluhm, D. – Microwave Assisted Desorption of Alcohol from a Molecular Sieve, in Proceedings of IMPI Symposium, Toronto, 1981

Vasilakos, N., Magalhaes, F. – Microwave drying of Polymers, Journal Microwave Power, no.2, 1972

Metaxas, R.C., Meredith, R. – Industrial Microwave Heating, Peter Peregrinus Ltd., London, 1983

Thuery, J. – Les Micro-ondes et leur effets sur la matiere, Technique et Documentation – Lavoisier, Paris, 1989

Mingos, Baghurst, D. – Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry, Chemical Society Revue, no.20, 1991