AXE 3 : Réacteurs microondes

  • Imprimer

Contexte générale

Les derniers développements de nos outils de calcul nous permettent maintenant la modélisation et la simulation tridimensionnelle d’applicateurs microondes industriels.

Le caractère original de nos codes de calculs est de prendre en compte a priori et non a posteriori l’existence de fortes pertes diélectriques. Ces outils de calculs ont permis de développer et d’optimiser un Réacteur Autoclave MicrOonde (RAMO) utilisé maintenant en routine au Laboratoire pour l’élaboration de nanomatériaux. Le réacteur en lui-même est de géométrie cylindrique et constitué de plusieurs matériaux dissipatif. La Figure 1 décrit le dispositif.

image001

FIg.1 Le dispositif

L’objectif visé est la focalisation de l’énergie au niveau du milieu réactif afin d’assurer une nucléation volumique des nanoparticules produites. Pour atteindre un tel objectif, il est nécessaire de connaître les distributions de champ électromagnétiques au sein de l’ensemble du système (dispositif de couplage et réacteur lui-même). L’objectif finalisé de ces travaux était de définir les conditions opératoires assurant les plus hauts niveaux de focalisation du champ électrique au sein du réacteur.

 

Problématique :

Quelle est la conséquence en terme d'analyse modale (TE, TM et HEM) de la forte dépendance avec la température des propriétés diélectriques des milieux ? Peut-on envisager des couplages des modes entre eux ? Dans quelles mesures des hauts niveaux de focalisation de champs électriques modifient les courbes d'échauffement associées ? Existe–t-il des possibilités de bistabilités thermiques ? Conséquence en termes de gradients thermiques et de nucléation de nanoparticules dans le milieu chauffé ?

Concept de trajectoires thermiques :

Les trois catégories de modes de cette structure ont été identifiés : Transverses Electriques (TE), Transverses Magnétiques (TM) et Hybrides (HEMn). La forte dépendance thermique des propriétés diélectriques induit une dynamique dans le plan complexe se traduisant par des trajectoires thermiques sous forme de boucles. Le premier exemple historique de boucle est décrit par la Figure 2 pour un rondin dissipatif et un guide d'ondes ayant respectivement des rayons de 20 mm et 102.5 mm.

Couplage de modes :

Selon la taille du rondin et en relation avec la dépendance thermique des propriétés diélectriques, les différentes trajectoires thermiques se déplacent et se déforment dans le plan complexe en provoquant éventuellement des "couplages" entre les modes viables de la structure.

 

 FIg.2 Trajectoire thermique du mode TE01 FIg.2 Trajectoire thermique du mode TE01

Chacun des types de modes possède une focalisation optimale pour une température précise. Au cours du chauffage et en raison du couplage, un relais énergétique entre les modes va s'opérer. L'analyse des profils radiaux a clairement mis en évidence le rôle joué par un troisième milieu diélectrique sur l'ampleur de la focalisation au sein du rondin dissipatif.

Couplage électrothermique :

L'étude du couplage électrothermique illustre clairement l'influence de l'évolution avec la température des pertes diélectriques en terme de dynamique d'échauffement. En effet, ces travaux ont montré qu'en dépit de pertes diélectriques pour l'eau qui décroissent continûment avec la température, on peut observer un point d'inflexion sur les courbes d'échauffement. Le phénomène de focalisation au sein du rondin diélectrique compense largement la chute de la capacité de l'eau à convertir l'énergie électromagnétique en chaleur à 2.45 Ghz. Ces emballements thermiques ont été interprétés en terme de saut entre deux branches stables (bistabilité thermique). Ce phénomène apparaît comme préjudiciable au contrôle des courbes d'échauffement. En effet, nous avons montré que pour un rayon de 20 mm, la température se stabilise à 40 °C et ne varie plus, alors que pour un rayon de 40 mm, il apparaît un emballement thermique avec une pente parallèle à l'axe des ordonnées pour la courbe d'échauffement. Les conséquences pratiques peuvent être dramatiques.

Procédés et Réacteurs microondes,

Gradients thermiques et Nucléation : L’évolution des couplages entre les modes au cours du chauffage devrait pouvoir assurer une relative uniformité de l’énergie dissipée au cours du chauffage. L’intérêt d’un chauffage le plus uniforme possible induit par la distribution d’énergie dissipée est de premier ordre pour des réactions de nucléation activée thermiquement (NAT). En effet, dans de telles conditions opératoires, l’amorçage volumique de la réaction doit permettre de découpler nucléation et croissance, particulièrement de contrôler le réensemencement de la solution. Ceci contrairement aux conditions opératoires du chauffage conventionnel où les gradients thermiques pariétaux entre surface et cœur de réacteur provoquent de manière prépondérante une nucléation surfacique suivi de diffusion des entités dans la solution. Le mode de fonctionnement du réacteur microonde, dans la mesure où il peut privilégier une nucléation volumique, apparaît donc comme totalement différent des réacteurs conventionnels.