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commande EN frequence du chauffage par hysteresis dielectrique

Lionel Estel¹, Christophe Duhauvelle¹, Michel Delmotte², Alain Ledoux¹ , Caroline.bonnet¹

1. 
   Laboratoire des Risques Chimiques et Procédés,
   

INSA de Rouen, Place Emile Blondel, BP 8, 76131 Mont-Saint-Aignan Cedex, France.

2. 
   Laboratoire de Microstructure et Mécanique des Matériaux,
   

CNRS UMR 8006, ENSAM, 151 Boulevard de l'Hôpital, 75013 PARIS, France.

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Résumé
Depuis plus d’un quart de siècle, le chauffage par hystérésis diélectrique est employé dans de nombreuses applications industrielles. Son utilisation pour le chauffage des milieux réactionnels reste cependant limitée. Ceci provient en partie des particularités de l’interaction entre la matière et le rayonnement micro-onde qui requière un applicateur adapté et une géométrie particulière, pour obtenir un chauffage homogène et contrôlé.

La conversion de l’énergie électromagnétique en chaleur dans un matériau diélectrique est liée à la permittivité diélectrique complexe de ce matériau. La partie réelle (_r’) appelée constante diélectrique caractérise l’aptitude du matériau à se polariser sous l’action d’un champ électromagnétique externe. La partie complexe (_r’’) appelée pertes diélectriques traduit la capacité du matériau à convertir l’énergie électromagnétique en chaleur. La profondeur de pénétration de l’onde dans le matériau est également liée à la permittivité complexe et à la longueur d’onde utilisée. Pour de nombreuses substances organiques, la profondeur de pénétration importante de l’onde conduit à un chauffage à cœur qui n’est pas limité par une quelconque couche limite thermique. L’existence de ce terme source au sein du matériau permet des montées en température rapides et un contrôle précis des profils lors des traitements thermiques.

Dans des travaux précédents, nous avons montré que l’optimisation de la conversion d’énergie nécessitait la mise en résonance de l’objet diélectrique lui-même. Pour un milieu donné, cette condition est obtenue pour une géométrie particulière à une fréquence et une température données, ce qui impose un système continu en régime stationnaire avec des propriétés moyennes relativement constantes.

Dans ce travail, nous présentons une commande prédictive en fréquence d’un magnétron dans la gamme 2,0 GHz à 4,3 GHz. Cette commande utilise un modèle interne permettant la prédiction de l’évolution de la permittivité complexe en fonction de la fréquence émise, de la composition et de la température du milieu. Le modèle est établi à partir de la mesure des permittivités des constituants purs à différentes températures et de l’étude du comportement diélectrique des mélanges. Enfin la détermination des constantes de temps de relaxation et des permittivités à fréquences nulle et infinie, donnent accès à l’évolution des permittivités en fonction de la fréquence et ceci à partir uniquement des mesures en température.

L’objectif suivant est d’appliquer cette commande au chauffage d’un milieu réactionnel pour maintenir la résonance et donc l’homogénéité thermique et la conversion maximale de l’énergie au fur et à mesure de l’avancement de la réaction chimique.