Fysisk grunnlag for metoder for høyfrekvent oppvarming av dielektrikum (dielektrisk tørking)
I industrielle teknologiske prosesser er det ofte nødvendig å varme opp materialer som tilhører gruppen dielektriske og halvledere. Typiske representanter for slike materialer er forskjellige typer gummi, tre, stoffer, plast, papir, etc.
For elektrisk oppvarming av slike materialer benyttes installasjoner som bruker dielektriske og halvlederes evne til å gripe seg når de utsettes for et vekslende elektrisk felt.
Oppvarming skjer fordi i dette tilfellet går en del av energien til det elektriske feltet uopprettelig tapt, og blir til varme (dielektrisk oppvarming).
Fra et fysisk synspunkt forklares dette fenomenet av forbruket av forskyvningsenergi elektriske ladninger i atomer og molekyler, som er forårsaket av virkningen av et vekslende elektrisk felt.
På grunn av samtidig oppvarming av hele volumet av produktet dielektrisk oppvarming spesielt anbefalt for applikasjoner som krever jevn og skånsom tørking.Denne løsningen er best egnet for tørking av varmefølsomme produkter i næringsmiddel-, industri- og medisinsk industri for å bevare alle deres egenskaper.
Det er viktig å merke seg at effekten av et elektrisk felt på et dielektrisk eller halvleder oppstår selv i fravær av direkte elektrisk kontakt mellom elektrodene og materialet. Det er bare nødvendig at materialet er i området av det elektriske feltet som virker mellom elektrodene.
Bruken av høyfrekvente elektriske felt for å varme opp dielektrikum ble foreslått på 1930-tallet. For eksempel, US-patent 2 147 689 (innlevert til Bell Telephone Laboratories i 1937) sier: "Foreliggende oppfinnelse angår en oppvarmingsanordning for dielektrikum, og formålet med den foreliggende oppfinnelse er å varme opp slike materialer jevnt og vesentlig samtidig."
Det enkleste diagrammet av en enhet for oppvarming med et dielektrikum i form av to flate elektroder som påføres en vekselspenning og et oppvarmet materiale plassert mellom elektrodene er vist i figuren.
Dielektrisk varmekrets
Diagrammet som vises er elektrisk kondensator, hvor det oppvarmede materialet fungerer som en isolator mellom platene.
Mengden energi som absorberes av det aktive kraftkomponentmaterialet bestemmes og finnes i følgende forhold:
P = USe·I fordiphi = USe2·w C tg delta,
hvor UTo — spenning på platene til kondensatoren; C er kapasitansen til kondensatoren; tg delta — dielektrisk tapsvinkel.
Injeksjonsdelta (vinkel for dielektriske tap) komplementær vinkel fi opp til 90 ° (fi er forskyvningsvinkelen mellom de aktive og reaktive kraftkomponentene) og siden i alle dielektriske varmeenheter er vinkelen nær 90 °, kan vi anta at cosinus phi omtrent lik tangent delta.
For en ideell tapsfri kondensator er vinkelen fi = 90 °, dvs. strøm- og spenningsvektorene er gjensidig vinkelrette og kretsen har en ren reaktiv effekt.
Tilstedeværelsen av en annen dielektrisk tapsvinkel enn null er et uønsket fenomen for konvensjonelle kondensatorer fordi det forårsaker energitap.
I dielektriske varmeinstallasjoner er det nettopp disse tapene som representerer en nyttig effekt. Drift av slike installasjoner med tapsvinkel delta = 0 er ikke mulig.
For flate parallelle elektroder (flat kondensator) kan kraften per volumenhet av materialet mellom elektrodene beregnes med formelen
Py = 0,555·e daTgdelta,
hvor f er frekvensen, MHz; Ru — spesifikk absorbert effekt, W/cm3, e — elektrisk feltstyrke, kv/cm; da = e / do er den relative dielektriske konstanten til materialet.
Dette er YSammenligningen viser at effektiviteten til dielektrisk oppvarming bestemmes av:
-
parametere for det elektriske feltet generert av installasjonen (e og f);
-
elektriske egenskaper til materialer (dielektrisk tap-tangens og materialets relative dielektriske konstant).
Som analysen av formelen viser, øker effektiviteten til installasjonen med økende styrke og frekvens av det elektriske feltet. I praksis er dette bare mulig innenfor visse grenser.
Ved en frekvens høyere enn 4-5 MHz reduseres den elektriske effektiviteten til høyfrekvensgenerator-omformeren kraftig, så bruken av høyere frekvenser viser seg å være økonomisk ulønnsom.
Den høyeste verdien av den elektriske feltstyrken bestemmes av den såkalte nedbrytningsfeltstyrken for hver spesifikk type bearbeidet materiale.
Når styrken til nedbrytningsfeltet er nådd, er det enten et lokalt brudd på materialets integritet, eller forekomsten av en elektrisk lysbue mellom elektrodene og overflaten av materialet. I denne forbindelse må styrken til arbeidsfeltet alltid være mindre enn sammenbruddet.
De elektriske egenskapene til materialet avhenger ikke bare av dets fysiske natur, men også av de variable parameterne som karakteriserer dets tilstand - temperatur, fuktighet, trykk, etc.
Disse parametrene endres under den teknologiske prosessen, noe som må tas i betraktning ved beregning av dielektriske oppvarmingsenheter. Bare med riktig vurdering av alle disse faktorene i deres interaksjon og endring, kan den økonomisk og teknologisk fordelaktige bruken av dielektriske oppvarmingsenheter i industrien sikres.
En høyfrekvent limpresse er en enhet som bruker dielektrisk oppvarming, for eksempel for å fremskynde limingen av tre. Selve enheten er stort sett en vanlig limpresse. Den har imidlertid også spesielle elektroder for å skape et høyfrekvent elektrisk felt i delen som skal limes. Feltet øker raskt (innen noen få titalls sekunder) temperaturen på produktet, vanligvis opp til 50 — 70 ° C. Dette akselererer uttørkingen av limet betydelig.
I motsetning til høyfrekvent oppvarming er mikrobølgeoppvarming dielektrisk oppvarming med en frekvens over 100 MHz, og elektromagnetiske bølger kan sendes ut fra en liten sender og rettes mot et objekt gjennom rommet.
Moderne mikrobølgeovner bruker elektromagnetiske bølger med mye høyere frekvenser enn høyfrekvente varmeovner. Typiske hjemmemikrobølger opererer i 2,45 GHz-området, men det finnes også 915 MHz mikrobølger. Dette betyr at bølgelengden på radiobølgene som brukes i mikrobølgeoppvarming er fra 0,1 cm til 10 cm.
Generering av mikrobølgesvingninger i mikrobølgeovner finner sted med magnetroner.
Hver dielektrisk varmeinstallasjon består av en frekvensomformergenerator og en elektrotermisk enhet - en kondensator med spesialformede plater. Fordi dielektrisk oppvarming krever en høy frekvens (fra hundrevis av kilohertz til enheter på megahertz).
Den viktigste oppgaven til teknologien for oppvarming av dielektriske materialer med høyfrekvente strømmer er å sikre nødvendig modus under hele prosesseringsprosessen.Løsningen på dette problemet kompliseres av det faktum at de elektriske egenskapene til materialer endres under oppvarming, tørking eller som følge av andre endringer i materialets tilstand. Konsekvensen av dette er et brudd på det termiske regimet til prosessen og en endring i driftsmåten til lampegeneratoren.
Begge faktorer spiller en vesentlig rolle. Derfor, når man utvikler en teknologi for oppvarming av dielektriske materialer med høyfrekvente strømmer, må egenskapene til det bearbeidede materialet studeres nøye og endringen i disse egenskapene må analyseres gjennom hele den teknologiske syklusen.
Den dielektriske konstanten til et materiale avhenger av dets fysiske egenskaper, temperatur, fuktighet og elektriske feltparametere. Dielektrisitetskonstanten avtar vanligvis når materialet tørker og kan i noen tilfeller endre seg titalls ganger.
For de fleste materialer er frekvensavhengigheten til dielektrisitetskonstanten mindre uttalt og bør bare tas i betraktning i noen tilfeller. For hud, for eksempel, er denne avhengigheten betydelig i lavfrekvente regionen, men når frekvensen øker, blir den ubetydelig.
Som allerede nevnt avhenger den dielektriske konstanten til materialer av temperaturendringen som alltid følger med tørke- og oppvarmingsprosesser.
Tangenten til vinkelen for dielektriske tap forblir heller ikke konstant under prosessering, og dette har en betydelig innvirkning på forløpet av den teknologiske prosessen, siden deltatangenten karakteriserer materialets evne til å absorbere energien til et vekslende elektrisk felt.
I stor grad avhenger tangenten til den dielektriske tapsvinkelen av fuktighetsinnholdet i materialet. For noen materialer endres tangentdeltaet flere hundre ganger fra den opprinnelige verdien ved slutten av bearbeidingsprosessen. Så, for eksempel, for garn, når fuktigheten endres fra 70 til 8%, reduseres tangensen til absorpsjonsvinkelen 200 ganger.
En viktig egenskap ved materialet er nedbrytning av elektrisk feltspenning tillatt av dette materialet.
Økningen i nedbrytningsstyrken til det elektriske feltet begrenser muligheten for å øke spenningen på kondensatorplatene og bestemmer dermed den øvre grensen for effekten som kan installeres.
En økning i materialets temperatur og fuktighet, samt frekvensen til det elektriske feltet, fører til en reduksjon i styrken til nedbrytningsfeltet.
For å sikre en forhåndsbestemt teknologisk modus selv med endringer i de elektriske parameterne til materialet under tørkeprosessen, er det nødvendig å justere driftsmodusen til generatoren. Med riktig endring i driftsmodusen til generatoren er det mulig å oppnå optimale forhold under hele driftssyklusen og oppnå høy effektivitet av installasjonen.
Utformingen av arbeidskondensatoren bestemmes av formen og størrelsen på de oppvarmede delene, egenskapene til det oppvarmede materialet, arten av den teknologiske prosessen og til slutt typen produksjon.
I det enkleste tilfellet består den av to eller flere flate plater parallelt med hverandre. Plater kan være horisontale og vertikale. Flate elektroder brukes i installasjoner for tørking av sagtømmer, sviller, garn, liming av kryssfiner.
Ensartetheten til oppvarmingsmaterialene avhenger av jevnheten i fordelingen av det elektriske feltet gjennom hele volumet til den behandlede gjenstanden.
Tilstedeværelsen av inhomogenitet i materialets struktur, et variabelt luftgap mellom elektroden og den ytre overflaten av delen, tilstedeværelsen av ledende masser (holdere, støtter, etc.) nær elektrodene fører til en ujevn fordeling av det elektriske felt.
Derfor brukes i praksis et bredt utvalg av designalternativer for arbeidskondensatorer, som hver er designet for en viss teknologisk prosess.
Installasjoner for oppvarming med et dielektrikum i et høyfrekvent elektrisk felt har en relativt lav virkningsgrad til en ganske høy pris på utstyret som inngår i disse installasjonene. Derfor kan bruken av en slik metode bare rettferdiggjøres etter en grundig studie og sammenligning av de økonomiske og teknologiske indikatorene for forskjellige oppvarmingsmetoder.
En frekvensomformer er nødvendig for alle høyfrekvente dielektriske varmesystemer. Den totale effektiviteten til slike omformere er definert som forholdet mellom kraften som leveres til kondensatorplatene og kraften mottatt fra strømnettet.
Verdiene av koeffisienten for nyttig handling er i området 0,4 - 0,8. Effektiviteten avhenger av belastningen på frekvensomformeren. Som regel oppnås omformerens høyeste effektivitet når den er normalt belastet.
De tekniske og økonomiske indikatorene for dielektriske varmeinstallasjoner avhenger betydelig av utformingen av den elektrotermiske enheten. Riktig valgt design av sistnevnte sikrer høy effektivitet og maskintidsfaktor.
Se også:
Dielektrikk i et elektrisk felt