Content area
Abstract
Ziel der Arbeit war es, erstmals verfahrenstechnisch nutzbare materialspezifische Parameter zu definieren, mit deren Hilfe die energetische Effzienz von Hochtemperatur-Mikrowellenprozessen über einen groÿen Temperaturbereich optimiert werden kann. Denn der für Mikrowellenerwärmung qualitativ gegenüber konventionellen Heizmethoden angenommene Vorteil der volumetrischen Erwärmung von dielektrischen Materialien, der prinzipiell genutzt werden kann, um Wärme schneller in schlecht oder moderat wärmeleitfähigen Materialien zu dissipieren, lässt sich bei einem konkreten Verfahren nur unter bestimmten genau deflnierten Material- und Apparateparametern verwirklichen. Bei einem mikrowellenbeheizten Bauteil bestimmt vor allem die Permittivität, wie viel Energie dieses Bauteil absorbieren kann. Jedoch ist die Permittivität sowohl materialabhängig als auch abhängig von der konkreten Materialzusammensetzung, der Dichte, der inneren Struktur - also dem sogenannten Gefüge - und dem augenblicklichen Temperaturniveau. Daher war es auch Ziel der vorliegenden Arbeit, vereinfachte Methoden zur Ermittlung der Permittivität eines porösen Materials als Funktion der Temperatur zu entwickeln. Da zudem die makroskopische Geometrie eines Bauteils die Mikrowellenabsorption erheblich beeinflusst, sollte auch dieser Aspekt der Mikrowellenerwärmung genauer untersucht werden. Daher war es wichtig, Grundlagen für eine Kategorisierung des materialspezifschen Absorptionsverhaltens bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Bauteilgröÿen zu erarbeiten, um mit deren Hilfe vereinfachte Kennzahlen aufzufinden, die dem Verfahrensingenieur ein Abschätzen der energetischen Effzienz der Umwandlung von Mikrowellen- in Wärmeenergie für die Prozessauslegung für einen groÿen Temperaturbereich ermöglichen.
Um die materialspezifschen Aspekte der Mikrowellenerwärmung umfassend zu untersuchen, sind drei Modellwerkstofle herangezogen worden, deren Temperaturabhängigkeit der Permittivität jeweils einen ganz spezifischen Verlauf zeigt: Al2O3 für einen moderat ansteigenden dielektrischen Verlust, ZrO2 für einen stark ansteigenden dielektrischen Verlust und SiC für einen bei hoher Permittivität gering ansteigenden dielektrischen Verlust. Mit Hilfe dieser Werkstofle erfolgte eine makroskopische Multi-Skalenuntersuchung der Mikrowellenabsorption bei Objektgröÿen, die von mm bis m variierten, um den Einfluss der Bauteilgröÿe auf die Effzienz der Mikrowellendissipation zu erfassen. Für diese Untersuchung wurde ein analytisches Berechnungsverfahren gemäÿ Mie-Theorie herangezogen. Aus diesen Berechnungen ist es gelungen, die bisher nicht verfügbaren vereinfachten Kennzahlen für die Auslegung von Hochtemperaturprozessen abzuleiten.
Für die Betrachtung realer Prozesse wie Sinterung von Werkstoffen in konkreten Apparaten/ Applikatoren kamen numerische Methoden zum Einsatz. Ziel dieser Simulationen war es, die Gesamtenergiebilanz eines Prozesses für spezifische Materialien durch Kombination verschiedener Energiequellen - Mikrowellenenergie der Frequenz 2.45 GHz und Widerstandsheizung oder passive Infrarotstrahler/Suszeptoren - zu optimieren.
Die Berechnung von elektromagnetischen und Wärmeübertragungsvorgängen bedarf spezifscher numerischer Methoden: die Mikrowellensimulation kann im Zeit- oder Frequenzbereich erfolgen, während die Wärmesimulation im Zeitbereich erfolgt, wobei sich die Zeitskalen, die jeweils betrachtet werden, stark unterscheiden. Es war eine Aufgabe der vorliegenden Arbeit, eine Methode für die Kopplung von Mikrowellen- und Temperatursimulation zu entwickeln, die keine Synchronisation der Zeitskalen erfordert, um die Mikrowellendissipation und die Entwicklung der Wärmeverteilung auch unabhängig voneinander betrachten zu können. Zudem sollte die numerische Simulation Veränderungen der Probengröÿe, die typischerweise bei der Sinterung von kerami schen Materialien auftreten, ermöglichen, mit dem Ziel eine hinreichende energetische Effzienz und Prozessstabilität über den gesamten Temperaturbereich des Sinterprozesses sicherstellen zu können.
Aus der Summe der Ergebnisse wurde ein Leitfaden für den Verfahrensingenieur abgeleitet, der sowohl bei der Beurteilung der materialbezogenen Anwendungsmöglichkeit eines Mikrowellenverfahrens als auch bei der konkreten Auslegung unterstützen soll. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse sind nachfolgend detaillierter ausgeführt.





