Entwicklung Einer simulationsgestützten Methodik zur Auslegung von Hochtemperatur-Mikrowellenprozessen

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.

Alternate abstract:

The objective of this work was to define for the first time material-specific engineering parameters, which allow to optimize the efficiency of high-temperature microwave processes for a wide range of temperatures. Because the assumed advantage of microwave heating in comparison to conventional heating methods - of a volumetric heating effect for dielectric materials, which can be used in principle for faster dissipation of heat in materials with poor or moderate thermal conductivity, can only be realized for a specific process by well-defined material and device parameters. In case of a microwave heated component, first of all permittivity determines the amount of heat that is absorbed by the object. However, the permittivity is material-dependent, and dependent on material composition, density, intern al structure and the momentary temperature level. Therefore one aim of this work was to develop simplified methods to determine the permittivity of porous materials as a function of temperature. Because the macroscopic shape of an object is relevant for its microwave absorption as well, this aspect of microwave heating should be included into the investigation. Therefore it was essential to lay foundations for categorizing the material-specific microwave absorption behaviour considering the component size in order to define simplified characteristic numbers which allow a process engineer evaluating the energetic efficiency and the conversion of microwave energy into heat for processes, which cover a wide temperature range.

In order to review the material-specific aspects of microwave heating three model materials were selected. Each temperature-dependent permittivity shows a characteristic behaviour: Al₂O₃ for a moderate increase of dielectric loss, ZrO₂ for high increase of dielectric loss, and SiC for low increase of dielectric loss at a high permittivity level. With help of theses materials a macroscopic multi-scale investigation of microwave absorption was performed for objects, whose size ranged from mm to m, in order to investigate the influence of object size on microwave absorption efficiency. For this investigation an analytic method for calculation was selected based on Mie theory. With help of these calculations so far unavailable simplified characteristic numbers for evaluation and design of high-temperature microwave processes could be compiled.

Numerical procedures were applied for investigating real processes like sintering of ceramic materials in practical devices/applicators. The objective of these simulations was to evaluate and optimize the energy balance of the processes for specific materials by combination of different heat sources like microwave heating at 2.45 GHz, resistive heating, and passive infrared radiators/susceptors.

The calculation of electromagnetic and heat transfer processes requires different numerical methods: microwave simulation is either conducted in time or frequency domain while he at simulation is conducted in time domain, in which the applied time scales differ significantly. The aim of this work was to develop a method for the coupling of microwave and thermal simulation, which does not require a synchronisation of time scales in order to evaluate microwave dissipation and the heat distribution in the component and its environment apart from each other. Therefore a new procedure for numerical simulation of microwave processes was developed and tested that allows considering changes in sample size typical for sintering of ceramic materials, and is aiming at realizing adequate energy efficiency and process stability over the complete temperature range of the sintering process.

From the sum of results a guideline for the process engineer was developed, which shall support evaluating the material-related feasibility of microwave heating as well as supporting the process design of a microwave heating process. Details of the present work are explained subsequently.