Interactiunea materialelor metalice si nemetalice cu unde electromagnetice de inalta frecventa

Interactiunea materialelor metalice si nemetalice cu unde electromagnetice de inalta frecventa

1 Principiile fizice ale incalzirii cu microunde

2 Comportamentul materialelor in camp electromagnetic

Comportamentul materialelor in campul electromagnetic generat de catre surse este influentat de caracteristicile materialului supus incalzirii. Se poate vorbi despre situatiile:

absorbtie – aceasta proprietate in cazul incalzirii cu microunde este reflectata de:

o      materialele care contin molecule polare pot sa absoarba microunde

o      factorul lor de pierdere afecteaza adancimea de penetrare

o      microundele trec prin materiale nemetalice in mod similar cu lumina care trece printr-un geam intunecat diferit

reflectare – in functie de materiale acesta reflecta sau nu microundele

o      metalele raman reci in campul de microunde (MW)

o      ceramicele absorb foarte mult microundele

transparenta – proprietate intalnita la:

Toate aceste proprietati sunt insa puternic dependente de:

temperatura – un material care este transparent la temperatura camerei poate absorbi microunde la temperatura de peste 1.000 ⁰C. Aceasta este caracteristica pentru oxidul de aluminiu, dioxidul de silicon, ceramica de sticla si cateva nitruri de bor.

frecventa – portelanul uscat se poate comporta ca perfect transparent la frecventa de 2,45 GHz, acolo unde la frecventa de 30 GHz poate fi incalzit imediat la temperatura de sinterizare.

3 Frecventele utilizate la incalzirea cu microunde

Microundele reprezinta acelasi tip de energie care este folosita pentru transmiterea semnalelor de televiziune si radio. Este varietatea undelor electromagnetice in benzi intre undele radio si infrarosii (cu frecventa de 300 MHz - 300 GHz, care corespunde lungimii undei de 1 m - 1mm). Echipamentul pentru aplicatii industriale este, in special in Europa, bazat pe frecventa cea mai utilizata 2.450 MHz, de asemenea folosita pentru cuptoarele comerciale MW in uz casnic. La frecventa de 915 MHz, adancimea de penetrare este mai mult decat dubla in comparatie cu frecventa de 2450 MHz. Aceasta permite procesarea materialelor cu dimensiuni mai mari. Adancimea de penetrare a microundelor este de obicei in ordinea unitatilor si zecilor de centimetri. In benzile RF 156; 27.12 si 40.68 MHz, adancimea de penetrare atinge ordinul metrilor. Aceasta permite procesarea produselor mai mari (sau procesarea simultana a cantitatii mai mari a produselor) decat incalzirea MW. Sistemele RF au de obicei puterea de iesire de zeci de kW pana la peste 1.500 kW. Microundele sunt mai potrivite pentru produsele de grosimi adecvate, cu factorul de pierdere mai mic decat 0.05, constand in partile minore detasate, sau pentru stratul de material detasat sau pasta cu profilul de inaltime corespondent. Microundele sunt de asemenea mai potrivite decat frecventele radio cand cerinta pentru densitatea de putere de iesire este foarte mare, pentru ca ele au tendinta mai mica pentru a induce formarea arcului electric care ar putea arde materialul procesat, si tubul de generator, de asemenea. Pe de alta parte, echipamentul RF este mai economic decat echipamentul MW prin puterea de iesire de peste 50 kW. Incalzirea RF este aplicata cand se cere o penetrare adanca, si pentru materialele de procesare cu un factor de pierdere mai mare (ex. un continut mare de apa).

4 Absortia microundelor de catre materialele dielectrice solide

Dielectricii sunt materiale care se caracterizeaza prin stari de polarizatie cu functie de utilizare. Prin stare de polarizatie electrica se intelege starea materiei caracterizata prin momentul electric al unitatii de volum diferit de zero. Starea de polarizatie poate fi temporara daca depinde de intensitatea locala a campului electric in care este situat dielectricul si poate fi de deplasare (electronica sau ionica) sau de orientare dipolara. Starea de polarizatie permanenta nu depinde de intensitatea locala a campului electric si poate fi spontana (piroelectrica) sau piezoelectrica.

Indiferent de mecanismul de polarizare, in domeniul liniar, interactiunea unui dielectric izotrop cu campul electric este caracterizata de permitivitatea complexa relativa:

(1)

unde:

D - inductia electrica

E - intensitatea campului electric:

- permitivitatea vidului.

Daca un material dielectric cu permitivitatea complexa relativa e, se introduce intre armaturile unui condensator avand in vid capacitatea C_o in aproximatia ca liniile de camp se inchid in intregime prin material (efectele de margine sunt neglijabile), admitanta la bornele condensatorului astfel format are expresia:

(2)

Se prezinta in figura 1 schema electrica prin care se poate determina caracterul absorbant, reflectorizant sau transparent al materialelor dielectrice solide.

Fig. 1. Schema echivalenta si diagrama fazoriala pentru un condensator cu dielectric intre armaturi

Capacitatea condensatorului obtinut fiind: C_e = e C_o    Partea imaginara a permitivitatii complexe relative e , caracterizeaza dielectricul din punct de vedere al pierderilor de energie in material, pierderi modelate prin rezistenta

(4)

Se defineste tangenta unghiului de pierderi a materialului dielectric, ca fiind raportul:     (5)

Inversul tangentei unghiului de pierderi se numeste factor de calitate al materialului dielectric si se noteaza cu:

(6)

Permitivitatea complexa relativa poate fi pusa si sub forma:

(7)

Se prezinta in tabelul 2.1 valorile tangentei unghiului de pierderi pentru cateva materiale dielectrice solide.

Tabelul 1 Tangenta unghiului de pierderi pentru materiale dielectrice solide

Se prezinta in figura 2 si figura 3 dependenta de frecventa a permitivitatii electrice si a tangentei unghiului de pierderi pentru materiale dielectrice solide.

Fig. 2 Dependenta de frecventa a lui e si tgde pentru polietilentereftalat la temperatura de 20⁰C

Fig. 3 Dependenta de frecventa a lui e si tgde pentru policarbonat la temperatura de 20⁰C

In tabelul 2 sunt prezentate permitivitatea complexa, partile reala si imaginara ale acesteia si tangenta unghiului de pierderi, pentru urmatoarele materiale: teflon, plexiglas, pertinax, sticlotextolit, in gama de frecventa de la 1 MHz – 1 GHz.

Tab. 2 Caracterizarea electrica a materialelor dielectrice

Se prezinta in figura 4 si 5 valorile reale si imaginare ale permitivitatii complexe a materialelor dielectrice analizate si prezentate in tabelul anterior

Fig. 4 Partea reala a permitivitatii complexe a 4 materiale dielectrice solide

Fig. 5 Partea imaginara a permitivitatii complexe pentru 4 materiale dielectrice solide

Se prezinta in figura 6 tangenta unghiului de pierderi pentru cele 4 materiale dielectrice solide supuse studiului.

Fig. 6 Tangenta unghiului de pierderi

Caracterul absorbant al materialelor poate fi remarcat prin modificarea frecventelor. Se prezinta in tabelul 3 valorile , si tgd pentru aceleasi materiale dar la valori diferite ale frecventei.

Tab. 3 Valorile permitivitatii complexe la valori diferite ale frecventei

5 Incalzirea hibrida a materialelor

Cand sunt combinate ambele metode, o parte considerabila a partii umezelii este eliberata rapid prin folosirea initiala a incalzirii conventionale fara nevoia de a astepta pana la egalizarea umezelii. Apoi incalzirea MW elimina apa din interior catre suprafata. Astfel se poate scurta timpul de procesare pana la 80 %, solicitand in mod semnificativ mai putin spatiu. Racirea urmatoare este de obicei efectuata in mediu cu reglarea temperaturii si umiditatii fie pentru a obtine infatisarea naturala a produsului, sau pentru a preveni orice deteriorare a suprafetei produsului prin caldura de adancime indusa de microunde. Stadiul de retinere a temperaturii (dupa-incalzire) poate fi de asemenea implementat pentru a reduce continutul de bacterii. Cand se obtine umezeala ceruta inainte de depozitare, energia acumulata in interior poate fi folosita in timpul racirii pentru uscarea efectiva.

Daca umezeala initiala a produsului este mai mare de 50%, incalzirea preliminara conventionala este de asemenea adesea folosita. Cand este combinata cu al treilea stadiu, (racire controlata), sistemul complet nu solicita mai mult spatiu decat insasi linia de microunde. De fapt este permis ca incalzirea conventionala preliminara sa poata fi urmata imediat de incalzirea MW. Camera de pre-incalzire poate fi o componenta a liniei MW.

6 Uscarea cu microunde

In timpul uscarii cu microunde (MW), se pot controla precis dozele de caldura si materialul procesat este volumetric uniform incalzit. In acelasi timp, uscarea este foarte eficienta, deoarece peste 90% din energia emisa este transformata in caldura. O asfel de eficienta nu poate fi obtinuta prin nici o alta metoda de incalzire. Aceasta se datoreaza faptului ca apa, ca un material polar superior absoarbe energia MW foarte bine.

Uscarea este determinata de doua mecanisme de baza:

transmisie de caldura

transmisie de materie.

Actiunile de incalzire conventionala au loc in directii opuse – caldura merge din exterior catre interior intr-un material si umezeala este eliminata din interior catre o suprafata, unde se evaporeaza. Pe de alta parte, efectul in-adancime al microundelor, care incalzesc de asemenea miezul materialului, umezeala este eliminata catre stratul cu presiune mai joasa, ex. catre suprafata care este relativ rece, pentru ca microundele nu incalzesc aerul ambiental. Aceasta pompa de apa permite extragerea rapida si eficienta a apei.

Uscarea traditionala prin aer fierbinte poate produce, in special pentru produsele piesa,  crusta uscata care intrerupe fluxul capilar din interiorul unui material si formeaza izolare de caldura, care reduce permeabilitatea unui material. Cu uscarea MW, crusta de suprafata nu se dezvolta, pentru ca apa eliminata din miez mentine suprafata uda. Cu toate acestea, efectul microundelor este in marea majoritate independent de conductibilitatea termala si astfel nu poate fi afectata de straturile externe izolatoare.

Microundele afecteaza aproape exclusiv moleculele apei, care este (in comparatie cu alte componente ale materialului de baza) un material polar superior, si in general nu incalzesc punctele despicate, de polaritate redusa,  in produs. Aceasta este o conditie esentiala pentru echilibrarea umezelii intr-un produs, daca este neuniform inainte de procesare. Permite de asemenea dezlocuirea ultimei fractii lichide cu efectul de temperatura de reglare-proprie la sfarsitul uscarii.