Fizičke osnove metoda visokofrekventnog zagrijavanja dielektrika (dielektrično sušenje)
U industrijskim tehnološkim procesima često je potrebno zagrijavati materijale koji pripadaju skupini dielektrika i poluvodiča. Tipični predstavnici takvih materijala su razne vrste gume, drvo, tkanine, plastika, papir itd.
Za električno zagrijavanje takvih materijala koriste se instalacije koje koriste sposobnost dielektrika i poluvodiča da se zahvate kada su izloženi izmjeničnom električnom polju.
Do zagrijavanja dolazi jer se u tom slučaju dio energije električnog polja nepovratno gubi, pretvarajući se u toplinu (dielektrično zagrijavanje).
S fizikalne točke gledišta, ovaj se fenomen objašnjava utroškom energije pomaka električni naboji u atomima i molekulama, što nastaje djelovanjem izmjeničnog električnog polja.
Zbog istovremenog zagrijavanja cijelog volumena proizvoda dielektrično grijanje posebno se preporučuje za primjene koje zahtijevaju ravnomjerno i nježno sušenje.Ovo je rješenje najprikladnije za sušenje proizvoda osjetljivih na toplinu u prehrambenoj, industrijskoj i medicinskoj industriji kako bi se očuvala sva njihova svojstva.
Važno je napomenuti da se učinak električnog polja na dielektrik ili poluvodič događa čak i u odsutnosti izravnog električnog kontakta između elektroda i materijala. Potrebno je samo da materijal bude u području električnog polja koje djeluje između elektroda.
Upotreba visokofrekventnih električnih polja za zagrijavanje dielektrika predložena je 1930-ih. Na primjer, američki patent 2,147,689 (prijavljen Bell Telephone Laboratories 1937.) navodi: "Ovaj izum se odnosi na uređaj za grijanje dielektrika, a cilj ovog izuma je zagrijavanje takvih materijala ravnomjerno i uglavnom istovremeno."
Na slici je prikazana najjednostavnija shema uređaja za grijanje s dielektrikom u obliku dviju plosnatih elektroda na koje se dovodi izmjenični napon i između elektroda nalazi zagrijani materijal.
Dielektrični krug grijanja
Prikazani dijagram je električni kondenzator, u kojem zagrijani materijal djeluje kao izolator između ploča.
Određuje se količina energije koju apsorbira materijal komponente aktivne snage i nalazi se u sljedećem omjeru:
P = USe·I jerphi = USe2·w C tg delta,
gdje je UTo - napon na pločama kondenzatora; C je kapacitet kondenzatora; tg delta — kut dielektričnih gubitaka.
Injection delta (kut dielektričnih gubitaka) komplementarni kut fi do 90 ° (fi je kut pomaka između aktivne i jalove komponente snage) i budući da je u svim dielektričnim uređajima za grijanje kut blizu 90 °, možemo pretpostaviti da kosinus phi približno jednak tangenti delta.
Za idealan kondenzator bez gubitaka, kut fi = 90 °, tj. vektor struje i napona su međusobno okomiti i krug ima čisto reaktivna snaga.
Prisutnost kuta dielektričnog gubitka različitog od nule je nepoželjna pojava za konvencionalne kondenzatore jer uzrokuje gubitke energije.
U dielektričnim instalacijama grijanja upravo ti gubici predstavljaju koristan učinak. Rad takvih instalacija s kutom gubitka delta = 0 nije moguć.
Za ravne paralelne elektrode (ravni kondenzator), snaga po jedinici volumena materijala između elektroda može se izračunati formulom
Py = 0,555·e daTgdelta,
gdje je f frekvencija, MHz; Ru — specifična apsorbirana snaga, W / cm3, e — jakost električnog polja, kv / cm; da = e / do je relativna dielektrična konstanta materijala.
Ovo je Y Usporedba pokazuje da je učinkovitost dielektričnog zagrijavanja određena:
-
parametri električnog polja koje stvara instalacija (e i f);
-
električna svojstva materijala (tangens dielektričnog gubitka i relativna dielektrična konstanta materijala).
Kako pokazuje analiza formule, učinkovitost instalacije raste s povećanjem jakosti i frekvencije električnog polja. U praksi je to moguće samo u određenim granicama.
Na frekvenciji višoj od 4-5 MHz električna učinkovitost visokofrekventnog generatora-pretvarača naglo opada, pa se uporaba viših frekvencija pokazuje ekonomski neisplativom.
Najveća vrijednost jakosti električnog polja određena je takozvanom jakošću probojnog polja za svaku pojedinu vrstu obrađenog materijala.
Kada se postigne jakost probojnog polja, dolazi ili do lokalnog narušavanja cjelovitosti materijala ili do pojave električnog luka između elektroda i površine materijala. S tim u vezi, snaga radnog polja uvijek mora biti manja od snage sloma.
Električna svojstva materijala ne ovise samo o njegovoj fizičkoj prirodi, već i o promjenjivim parametrima koji karakteriziraju njegovo stanje — temperaturi, vlažnosti, tlaku itd.
Ovi se parametri mijenjaju tijekom tehnološkog procesa, što se mora uzeti u obzir pri proračunu dielektričnih uređaja za grijanje. Samo pravilnim uvažavanjem svih ovih čimbenika u njihovom međudjelovanju i promjeni može se osigurati ekonomski i tehnološki povoljna primjena dielektričnih grijaćih uređaja u industriji.
Visokofrekventna preša za lijepljenje je uređaj koji pomoću dielektričnog zagrijavanja npr. ubrzava lijepljenje drva. Sam uređaj je uglavnom obična preša za ljepilo. No, ima i posebne elektrode za stvaranje visokofrekventnog električnog polja u dijelu koji se lijepi. Polje brzo (u roku od nekoliko desetaka sekundi) podiže temperaturu proizvoda, obično do 50 - 70 ° C. To značajno ubrzava sušenje ljepila.
Za razliku od visokofrekventnog grijanja, mikrovalno grijanje je dielektrično grijanje frekvencije iznad 100 MHz, a elektromagnetski valovi se mogu emitirati iz malog emitera i usmjeravati na objekt kroz prostor.
Moderne mikrovalne pećnice koriste elektromagnetske valove puno viših frekvencija od visokofrekventnih grijača. Tipične kućne mikrovalne pećnice rade u rasponu od 2,45 GHz, ali postoje i mikrovalne pećnice od 915 MHz. To znači da je valna duljina radio valova koji se koriste u mikrovalnom grijanju od 0,1 cm do 10 cm.
U mikrovalnim pećnicama dolazi do stvaranja mikrovalnih oscilacija s magnetronima.
Svaka dielektrična grijaća instalacija sastoji se od generatora frekvencijskog pretvarača i elektrotermalnog uređaja — kondenzatora s posebno oblikovanim pločama. Budući da dielektrično zagrijavanje zahtijeva visoku frekvenciju (od stotina kiloherca do jedinica megaherca).
Najvažniji zadatak tehnologije zagrijavanja dielektričnih materijala visokofrekventnim strujama je osigurati potreban režim tijekom cijelog procesa obrade.Rješenje ovog problema komplicira činjenica da se električna svojstva materijala mijenjaju tijekom zagrijavanja, sušenja ili kao rezultat drugih promjena u stanju materijala. Posljedica toga je kršenje toplinskog režima procesa i promjena načina rada generatora svjetiljke.
Oba faktora igraju značajnu ulogu. Stoga se pri razvoju tehnologije zagrijavanja dielektričnih materijala visokofrekventnim strujama moraju pažljivo proučavati svojstva obrađenog materijala i analizirati promjena tih svojstava tijekom tehnološkog ciklusa.
Dielektrična konstanta materijala ovisi o njegovim fizičkim svojstvima, temperaturi, vlažnosti i parametrima električnog polja. Dielektrična konstanta obično opada kako se materijal suši, au nekim slučajevima može se promijeniti desetke puta.
Za većinu materijala frekvencijska ovisnost dielektrične konstante je manje izražena i treba je uzeti u obzir samo u nekim slučajevima. Za kožu, na primjer, ova je ovisnost značajna u niskofrekventnom području, ali kako se frekvencija povećava, postaje beznačajna.
Kao što je već spomenuto, dielektrična konstanta materijala ovisi o promjeni temperature koja uvijek prati procese sušenja i zagrijavanja.
Tangens kuta dielektričnih gubitaka također ne ostaje konstantan tijekom obrade, a to ima značajan utjecaj na tijek tehnološkog procesa, jer delta tangens karakterizira sposobnost materijala da apsorbira energiju izmjeničnog električnog polja.
U velikoj mjeri tangens kuta dielektričnog gubitka ovisi o sadržaju vlage u materijalu. Za neke materijale, tangenta delta mijenja se nekoliko stotina puta od svoje početne vrijednosti do kraja procesa obrade. Tako, na primjer, za pređu, kada se vlažnost promijeni sa 70 na 8%, tangens kuta apsorpcije smanjuje se 200 puta.
Važna karakteristika materijala je naprezanje električnog polja breakdown dopušteno ovim materijalom.
Povećanje probojne jakosti električnog polja ograničava mogućnost povećanja napona na pločama kondenzatora i time određuje gornju granicu snage koja se može instalirati.
Povećanje temperature i vlažnosti materijala, kao i frekvencije električnog polja, dovodi do smanjenja jakosti probojnog polja.
Kako bi se osigurao unaprijed zadani tehnološki režim i uz promjene električnih parametara materijala tijekom procesa sušenja, potrebno je prilagoditi način rada generatora. Pravilnom promjenom režima rada generatora moguće je postići optimalne uvjete tijekom cijelog radnog ciklusa i postići visoku učinkovitost instalacije.
Izvedba radnog kondenzatora određena je oblikom i veličinom grijanih dijelova, svojstvima grijanog materijala, prirodom tehnološkog procesa i, konačno, vrstom proizvodnje.
U najjednostavnijem slučaju sastoji se od dvije ili više ravnih ploča međusobno paralelnih. Ploče mogu biti vodoravne i okomite. Ravne elektrode koriste se u instalacijama za sušenje piljene građe, pragova, pređe, lijepljenja šperploče.
Ujednačenost zagrijavanja materijala ovisi o ujednačenosti raspodjele električnog polja po cijelom volumenu tretiranog predmeta.
Prisutnost nehomogenosti u strukturi materijala, promjenjivi zračni raspor između elektrode i vanjske površine dijela, prisutnost vodljivih masa (držača, nosača itd.) u blizini elektroda dovodi do neravnomjerne raspodjele električne polje.
Stoga se u praksi koristi širok izbor mogućnosti dizajna radnih kondenzatora, od kojih je svaki dizajniran za određeni tehnološki proces.
Instalacije za grijanje s dielektrikom u visokofrekventnom električnom polju imaju relativno nisku učinkovitost uz prilično visoku cijenu opreme uključene u te instalacije. Stoga se primjena takve metode može opravdati tek nakon temeljitog proučavanja i usporedbe ekonomskih i tehnoloških pokazatelja različitih načina grijanja.
Za sve visokofrekventne dielektrične sustave grijanja potreban je pretvarač frekvencije. Ukupna učinkovitost takvih pretvarača definirana je kao omjer snage dovedene na ploče kondenzatora i snage primljene iz električne mreže.
Vrijednosti koeficijenta korisnog djelovanja su u rasponu od 0,4 - 0,8. Količina učinkovitosti ovisi o opterećenju frekvencijskog pretvarača. U pravilu, najveća učinkovitost pretvarača se postiže kada je normalno opterećen.
Tehnički i ekonomski pokazatelji dielektričnih grijaćih instalacija značajno ovise o dizajnu elektrotermalnog uređaja. Pravilno odabrani dizajn potonjeg osigurava visoku učinkovitost i vremenski faktor stroja.
Vidi također:
Dielektrici u električnom polju