Φυσική βάση μεθόδων θέρμανσης διηλεκτρικών υψηλής συχνότητας (διηλεκτρική ξήρανση)
Στις βιομηχανικές τεχνολογικές διεργασίες, είναι συχνά απαραίτητο να θερμαίνονται υλικά που ανήκουν στην ομάδα των διηλεκτρικών και των ημιαγωγών. Τυπικοί εκπρόσωποι τέτοιων υλικών είναι διάφοροι τύποι καουτσούκ, ξύλο, υφάσματα, πλαστικά, χαρτί κ.λπ.
Για την ηλεκτρική θέρμανση τέτοιων υλικών, χρησιμοποιούνται εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν την ικανότητα των διηλεκτρικών και ημιαγωγών να δεσμεύονται όταν εκτίθενται σε εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο.
Η θέρμανση συμβαίνει γιατί σε αυτή την περίπτωση μέρος της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου χάνεται ανεπανόρθωτα, μετατρέπεται σε θερμότητα (διηλεκτρική θέρμανση).
Από φυσική άποψη, αυτό το φαινόμενο εξηγείται από την κατανάλωση ενέργειας μετατόπισης ηλεκτρικά φορτία σε άτομα και μόρια, η οποία προκαλείται από τη δράση ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου.
Λόγω της ταυτόχρονης θέρμανσης όλου του όγκου του προϊόντος διηλεκτρική θέρμανση συνιστάται ιδιαίτερα για εφαρμογές που απαιτούν ομοιόμορφο και απαλό στέγνωμα.Αυτή η λύση είναι η καταλληλότερη για την ξήρανση ευαίσθητων στη θερμότητα προϊόντων στη βιομηχανία τροφίμων, στη βιομηχανία και στην ιατρική για να διατηρήσει όλες τις ιδιότητές τους.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου σε ένα διηλεκτρικό ή ημιαγωγό συμβαίνει ακόμη και απουσία άμεσης ηλεκτρικής επαφής μεταξύ των ηλεκτροδίων και του υλικού. Είναι απαραίτητο μόνο το υλικό να βρίσκεται στην περιοχή του ηλεκτρικού πεδίου που ενεργεί μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Η χρήση ηλεκτρικών πεδίων υψηλής συχνότητας για τη θέρμανση διηλεκτρικών προτάθηκε τη δεκαετία του 1930. Για παράδειγμα, το Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας ΗΠΑ 2,147,689 (κατατέθηκε στο Bell Telephone Laboratories το 1937) αναφέρει: "Η παρούσα εφεύρεση σχετίζεται με μια συσκευή θέρμανσης για διηλεκτρικά και το αντικείμενο της παρούσας εφεύρεσης είναι να θερμάνει τέτοια υλικά ομοιόμορφα και ουσιαστικά ταυτόχρονα."
Το απλούστερο διάγραμμα μιας συσκευής για θέρμανση με ένα διηλεκτρικό με τη μορφή δύο επίπεδων ηλεκτροδίων στα οποία εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση και ένα θερμαινόμενο υλικό τοποθετείται μεταξύ των ηλεκτροδίων φαίνεται στο σχήμα.
Διηλεκτρικό κύκλωμα θέρμανσης
Το διάγραμμα που φαίνεται είναι ηλεκτρικός πυκνωτής, στο οποίο το θερμαινόμενο υλικό λειτουργεί ως μονωτικό μεταξύ των πλακών.
Η ποσότητα της ενέργειας που απορροφάται από το υλικό συστατικού ενεργού ισχύος προσδιορίζεται και βρίσκεται στην ακόλουθη αναλογία:
P = USe·I επειδήphi = USe2·w C tg δέλτα,
όπου UTo — τάση στις πλάκες του πυκνωτή. C είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. tg δέλτα — γωνία απώλειας διηλεκτρικού.
Δέλτα έγχυσης (γωνία διηλεκτρικών απωλειών) συμπληρωματική γωνία fi έως 90 ° (fi είναι η γωνία μετατόπισης μεταξύ των στοιχείων ενεργού και αέργου ισχύος) και δεδομένου ότι σε όλες τις διηλεκτρικές συσκευές θέρμανσης η γωνία είναι κοντά στις 90 °, μπορούμε να υποθέσουμε ότι το συνημίτονο phi περίπου ίσο με το εφαπτομενικό δέλτα.
Για έναν ιδανικό πυκνωτή χωρίς απώλειες, η γωνία fi = 90 °, δηλαδή τα διανύσματα ρεύματος και τάσης είναι αμοιβαία κάθετα και το κύκλωμα έχει καθαρά δύναμη αντίδρασης.
Η παρουσία γωνίας απώλειας διηλεκτρικής διαφορετικής από το μηδέν είναι ένα ανεπιθύμητο φαινόμενο για τους συμβατικούς πυκνωτές επειδή προκαλεί απώλειες ενέργειας.
Σε εγκαταστάσεις διηλεκτρικής θέρμανσης, αυτές ακριβώς οι απώλειες αντιπροσωπεύουν ένα χρήσιμο αποτέλεσμα. Η λειτουργία τέτοιων εγκαταστάσεων με γωνία απώλειας δέλτα = 0 δεν είναι δυνατή.
Για επίπεδα παράλληλα ηλεκτρόδια (επίπεδος πυκνωτής), η ισχύς ανά μονάδα όγκου του υλικού μεταξύ των ηλεκτροδίων μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο
Py = 0,555·e daTgdelta,
όπου f είναι η συχνότητα, MHz. Ru — ειδική απορροφούμενη ισχύς, W / cm3, e — ένταση ηλεκτρικού πεδίου, kv / cm. da = e / do είναι η σχετική διηλεκτρική σταθερά του υλικού.
Αυτό είναι YΗ σύγκριση δείχνει ότι η απόδοση της διηλεκτρικής θέρμανσης καθορίζεται από:
-
παραμέτρους του ηλεκτρικού πεδίου που δημιουργείται από την εγκατάσταση (e και f).
-
ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών (εφαπτομένη της διηλεκτρικής απώλειας και σχετική διηλεκτρική σταθερά του υλικού).
Όπως δείχνει η ανάλυση του τύπου, η απόδοση της εγκατάστασης αυξάνεται με την αύξηση της ισχύος και της συχνότητας του ηλεκτρικού πεδίου. Στην πράξη, αυτό είναι δυνατό μόνο εντός ορισμένων ορίων.
Σε συχνότητα μεγαλύτερη από 4-5 MHz, η ηλεκτρική απόδοση της γεννήτριας-μετατροπέα υψηλής συχνότητας μειώνεται απότομα, επομένως η χρήση υψηλότερων συχνοτήτων αποδεικνύεται οικονομικά ασύμφορη.
Η υψηλότερη τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου καθορίζεται από τη λεγόμενη ένταση πεδίου διάσπασης για κάθε συγκεκριμένο τύπο επεξεργασμένου υλικού.
Όταν επιτευχθεί η ισχύς του πεδίου διάσπασης, υπάρχει είτε τοπική παραβίαση της ακεραιότητας του υλικού είτε η εμφάνιση ηλεκτρικού τόξου μεταξύ των ηλεκτροδίων και της επιφάνειας του υλικού. Από αυτή την άποψη, η ισχύς του πεδίου εργασίας πρέπει πάντα να είναι μικρότερη από εκείνη της διάσπασης.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού εξαρτώνται όχι μόνο από τη φυσική του φύση, αλλά και από τις μεταβλητές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν την κατάστασή του - θερμοκρασία, υγρασία, πίεση κ.λπ.
Αυτές οι παράμετροι αλλάζουν κατά τη διάρκεια της τεχνολογικής διαδικασίας, κάτι που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τον υπολογισμό των διηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης. Μόνο με τη σωστή συνεκτίμηση όλων αυτών των παραγόντων στην αλληλεπίδραση και την αλλαγή τους, μπορεί να διασφαλιστεί η οικονομικά και τεχνολογικά συμφέρουσα χρήση των διηλεκτρικών συσκευών θέρμανσης στη βιομηχανία.
Μια πρέσα κόλλας υψηλής συχνότητας είναι μια συσκευή που χρησιμοποιεί διηλεκτρική θέρμανση, για παράδειγμα, για να επιταχύνει την κόλληση του ξύλου. Η ίδια η συσκευή είναι λίγο πολύ μια κανονική πρέσα κόλλας. Διαθέτει όμως και ειδικά ηλεκτρόδια για τη δημιουργία ηλεκτρικού πεδίου υψηλής συχνότητας στο προς συγκόλληση τμήμα. Το πεδίο γρήγορα (μέσα σε μερικές δεκάδες δευτερόλεπτα) αυξάνει τη θερμοκρασία του προϊόντος, συνήθως έως 50 — 70 ° C. Αυτό επιταχύνει σημαντικά το στέγνωμα της κόλλας.
Σε αντίθεση με τη θέρμανση υψηλής συχνότητας, η θέρμανση με μικροκύματα είναι διηλεκτρική θέρμανση με συχνότητα πάνω από 100 MHz και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα μπορούν να εκπέμπονται από έναν μικρό πομπό και να κατευθύνονται σε ένα αντικείμενο μέσω του χώρου.
Οι σύγχρονοι φούρνοι μικροκυμάτων χρησιμοποιούν ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε πολύ υψηλότερες συχνότητες από τους θερμαντήρες υψηλής συχνότητας. Τα τυπικά οικιακά μικροκύματα λειτουργούν στην περιοχή των 2,45 GHz, αλλά υπάρχουν και τα μικροκύματα 915 MHz. Αυτό σημαίνει ότι το μήκος κύματος των ραδιοκυμάτων που χρησιμοποιούνται στη θέρμανση των μικροκυμάτων είναι από 0,1 cm έως 10 cm.
Πραγματοποιείται η δημιουργία ταλαντώσεων μικροκυμάτων στους φούρνους μικροκυμάτων με μαγνητρόνια.
Κάθε εγκατάσταση διηλεκτρικής θέρμανσης αποτελείται από μια γεννήτρια μετατροπέα συχνότητας και μια ηλεκτροθερμική συσκευή — έναν πυκνωτή με ειδικά διαμορφωμένες πλάκες. Επειδή η διηλεκτρική θέρμανση απαιτεί υψηλή συχνότητα (από εκατοντάδες kilohertz έως μονάδες megahertz).
Το πιο σημαντικό καθήκον της τεχνολογίας για τη θέρμανση διηλεκτρικών υλικών με ρεύματα υψηλής συχνότητας είναι να εξασφαλίσει τον απαραίτητο τρόπο λειτουργίας κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας επεξεργασίας.Η λύση σε αυτό το πρόβλημα περιπλέκεται από το γεγονός ότι οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υλικών αλλάζουν κατά τη θέρμανση, ξήρανση ή ως αποτέλεσμα άλλων αλλαγών στην κατάσταση του υλικού. Συνέπεια αυτού είναι η παραβίαση του θερμικού καθεστώτος της διαδικασίας και η αλλαγή στον τρόπο λειτουργίας της γεννήτριας λαμπτήρων.
Και οι δύο παράγοντες παίζουν σημαντικό ρόλο. Ως εκ τούτου, κατά την ανάπτυξη μιας τεχνολογίας για τη θέρμανση διηλεκτρικών υλικών με ρεύματα υψηλής συχνότητας, οι ιδιότητες του επεξεργασμένου υλικού πρέπει να μελετώνται προσεκτικά και η αλλαγή σε αυτές τις ιδιότητες πρέπει να αναλύεται σε όλο τον τεχνολογικό κύκλο.
Η διηλεκτρική σταθερά ενός υλικού εξαρτάται από τις φυσικές του ιδιότητες, τη θερμοκρασία, την υγρασία και τις παραμέτρους του ηλεκτρικού πεδίου. Η διηλεκτρική σταθερά συνήθως μειώνεται καθώς το υλικό στεγνώνει και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να αλλάξει δεκάδες φορές.
Για τα περισσότερα υλικά, η εξάρτηση από τη συχνότητα της διηλεκτρικής σταθεράς είναι λιγότερο έντονη και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις. Για το δέρμα, για παράδειγμα, αυτή η εξάρτηση είναι σημαντική στην περιοχή χαμηλής συχνότητας, αλλά όσο αυξάνεται η συχνότητα, γίνεται ασήμαντη.
Όπως ήδη αναφέρθηκε, η διηλεκτρική σταθερά των υλικών εξαρτάται από τη μεταβολή της θερμοκρασίας που συνοδεύει πάντα τις διαδικασίες ξήρανσης και θέρμανσης.
Η εφαπτομένη της γωνίας των διηλεκτρικών απωλειών επίσης δεν παραμένει σταθερή κατά την επεξεργασία και αυτό έχει σημαντικό αντίκτυπο στην πορεία της τεχνολογικής διαδικασίας, καθώς η εφαπτομένη δέλτα χαρακτηρίζει την ικανότητα του υλικού να απορροφά την ενέργεια ενός εναλλασσόμενου ηλεκτρικού πεδίου.
Σε μεγάλο βαθμό, η εφαπτομένη της γωνίας απώλειας διηλεκτρικού εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε υγρασία του υλικού. Για ορισμένα υλικά, το εφαπτομένο δέλτα αλλάζει κατά αρκετές εκατοντάδες φορές από την αρχική του τιμή μέχρι το τέλος της διαδικασίας κατεργασίας. Έτσι, για παράδειγμα, για το νήμα, όταν η υγρασία αλλάζει από 70 σε 8%, η εφαπτομένη της γωνίας απορρόφησης μειώνεται 200 φορές.
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του υλικού είναι καταπόνηση ηλεκτρικού πεδίου επιτρέπεται από αυτό το υλικό.
Η αύξηση της ισχύος διάσπασης του ηλεκτρικού πεδίου περιορίζει τη δυνατότητα αύξησης της τάσης στις πλάκες πυκνωτών και έτσι καθορίζει το ανώτερο όριο της ισχύος που μπορεί να εγκατασταθεί.
Η αύξηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας του υλικού, καθώς και της συχνότητας του ηλεκτρικού πεδίου, οδηγεί σε μείωση της ισχύος του πεδίου διάσπασης.
Προκειμένου να διασφαλιστεί ένας προκαθορισμένος τεχνολογικός τρόπος λειτουργίας ακόμη και με αλλαγές στις ηλεκτρικές παραμέτρους του υλικού κατά τη διαδικασία ξήρανσης, είναι απαραίτητο να ρυθμιστεί ο τρόπος λειτουργίας της γεννήτριας. Με τη σωστή αλλαγή στον τρόπο λειτουργίας της γεννήτριας, είναι δυνατό να επιτευχθούν οι βέλτιστες συνθήκες καθ' όλη τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας και να επιτευχθεί υψηλή απόδοση της εγκατάστασης.
Ο σχεδιασμός του συμπυκνωτή εργασίας καθορίζεται από το σχήμα και το μέγεθος των θερμαινόμενων εξαρτημάτων, τις ιδιότητες του θερμαινόμενου υλικού, τη φύση της τεχνολογικής διαδικασίας και, τέλος, τον τύπο παραγωγής.
Στην απλούστερη περίπτωση, αποτελείται από δύο ή περισσότερες επίπεδες πλάκες παράλληλες μεταξύ τους. Οι πλάκες μπορούν να είναι οριζόντιες και κάθετες. Τα επίπεδα ηλεκτρόδια χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις για ξήρανση πριστή ξυλείας, στρωτήρες, νήματα, κόλληση κόντρα πλακέ.
Η ομοιομορφία των θερμαντικών υλικών εξαρτάται από την ομοιομορφία της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου σε ολόκληρο τον όγκο του επεξεργασμένου αντικειμένου.
Η παρουσία ανομοιογένειας στη δομή του υλικού, ένα μεταβλητό διάκενο αέρα μεταξύ του ηλεκτροδίου και της εξωτερικής επιφάνειας του εξαρτήματος, η παρουσία αγώγιμων μαζών (στήριγμα, στηρίγματα κ.λπ.) κοντά στα ηλεκτρόδια οδηγούν σε ανομοιόμορφη κατανομή του ηλεκτρικού πεδίο.
Ως εκ τούτου, στην πράξη, χρησιμοποιείται μια μεγάλη ποικιλία επιλογών σχεδιασμού για πυκνωτές εργασίας, καθεμία από τις οποίες έχει σχεδιαστεί για μια συγκεκριμένη τεχνολογική διαδικασία.
Οι εγκαταστάσεις θέρμανσης με διηλεκτρικό σε ηλεκτρικό πεδίο υψηλής συχνότητας έχουν σχετικά χαμηλή απόδοση με μάλλον υψηλό κόστος του εξοπλισμού που περιλαμβάνεται σε αυτές τις εγκαταστάσεις. Επομένως, η χρήση μιας τέτοιας μεθόδου μπορεί να δικαιολογηθεί μόνο μετά από ενδελεχή μελέτη και σύγκριση των οικονομικών και τεχνολογικών δεικτών διαφορετικών μεθόδων θέρμανσης.
Απαιτείται μετατροπέας συχνότητας για όλα τα συστήματα διηλεκτρικής θέρμανσης υψηλής συχνότητας. Η συνολική απόδοση τέτοιων μετατροπέων ορίζεται ως ο λόγος της ισχύος που παρέχεται στις πλάκες πυκνωτών προς την ισχύ που λαμβάνεται από το ηλεκτρικό δίκτυο.
Οι τιμές του συντελεστή χρήσιμης δράσης είναι στην περιοχή από 0,4 - 0,8. Το μέγεθος της απόδοσης εξαρτάται από το φορτίο του μετατροπέα συχνότητας. Κατά κανόνα, η υψηλότερη απόδοση του μετατροπέα επιτυγχάνεται όταν είναι κανονικά φορτωμένος.
Οι τεχνικοί και οικονομικοί δείκτες των εγκαταστάσεων διηλεκτρικής θέρμανσης εξαρτώνται σημαντικά από τον σχεδιασμό της ηλεκτροθερμικής συσκευής. Ο σωστά επιλεγμένος σχεδιασμός του τελευταίου εξασφαλίζει υψηλή απόδοση και συντελεστή χρόνου μηχανής.
Δείτε επίσης:
Διηλεκτρικά σε ηλεκτρικό πεδίο