Fysisk grundlag for metoder til højfrekvent opvarmning af dielektrikum (dielektrisk tørring)
I industrielle teknologiske processer er det ofte nødvendigt at opvarme materialer, der tilhører gruppen af dielektriske stoffer og halvledere. Typiske repræsentanter for sådanne materialer er forskellige typer gummi, træ, stoffer, plast, papir osv.
Til elektrisk opvarmning af sådanne materialer anvendes installationer, der udnytter dielektriske og halvlederes evne til at gribe, når de udsættes for et vekslende elektrisk felt.
Opvarmning sker, fordi en del af energien i det elektriske felt i dette tilfælde går uigenkaldeligt tabt og bliver til varme (dielektrisk opvarmning).
Fra et fysisk synspunkt forklares dette fænomen ved forbruget af forskydningsenergi elektriske ladninger i atomer og molekyler, som er forårsaget af virkningen af et vekslende elektrisk felt.
På grund af den samtidige opvarmning af hele produktets volumen dielektrisk opvarmning anbefales især til applikationer, der kræver jævn og skånsom tørring.Denne løsning er bedst egnet til tørring af varmefølsomme produkter i fødevare-, industri- og medicinindustrien for at bevare alle deres egenskaber.
Det er vigtigt at bemærke, at virkningen af et elektrisk felt på et dielektrisk eller halvleder forekommer selv i fravær af direkte elektrisk kontakt mellem elektroderne og materialet. Det er kun nødvendigt, at materialet er i området af det elektriske felt, der virker mellem elektroderne.
Brugen af højfrekvente elektriske felter til at opvarme dielektrikum blev foreslået i 1930'erne. For eksempel angiver US patent nr. 2.147.689 (indleveret til Bell Telephone Laboratories i 1937): "Den foreliggende opfindelse angår en opvarmningsanordning til dielektriske stoffer, og formålet med den foreliggende opfindelse er at opvarme sådanne materialer ensartet og i det væsentlige samtidigt."
Det enkleste diagram af en enhed til opvarmning med et dielektrikum i form af to flade elektroder, hvortil der påføres en vekselspænding og et opvarmet materiale placeret mellem elektroderne, er vist i figuren.
Dielektrisk varmekreds
Det viste diagram er elektrisk kondensator, hvor det opvarmede materiale fungerer som en isolator mellem pladerne.
Mængden af energi, der absorberes af det aktive effektkomponentmateriale, bestemmes og findes i følgende forhold:
P = USe·I fordiphi = USe2·w C tg delta,
hvor UTo — spænding på kondensatorens plader; C er kondensatorens kapacitans; tg delta — dielektrisk tabsvinkel.
Injektionsdelta (vinkel for dielektriske tab) komplementær vinkel fi op til 90° (fi er forskydningsvinklen mellem de aktive og reaktive effektkomponenter), og da vinklen i alle dielektriske varmeapparater er tæt på 90°, kan vi antage, at cosinus phi omtrent lig med tangent delta.
For en ideel tabsfri kondensator er vinklen fi= 90°, dvs. strøm- og spændingsvektorerne er indbyrdes vinkelrette, og kredsløbet har en rent reaktiv effekt.
Tilstedeværelsen af en anden dielektrisk tabsvinkel end nul er et uønsket fænomen for konventionelle kondensatorer, fordi det forårsager energitab.
I dielektriske varmeinstallationer er det netop disse tab, der repræsenterer en nyttig effekt. Driften af sådanne installationer med en tabsvinkel delta = 0 er ikke mulig.
For flade parallelle elektroder (flad kondensator) kan effekten pr. volumenenhed af materialet mellem elektroderne beregnes ved hjælp af formlen
Py = 0,555·e daTgdelta,
hvor f er frekvensen, MHz; Ru — specifik absorberet effekt, W/cm3, e — elektrisk feltstyrke, kv/cm; da = e / do er den relative dielektriske konstant for materialet.
Dette er Y. Sammenligningen viser, at effektiviteten af dielektrisk opvarmning bestemmes af:
-
parametre for det elektriske felt genereret af installationen (e og f);
-
materialers elektriske egenskaber (dielektrisk tab tangens og materialets relative dielektriske konstant).
Som analysen af formlen viser, øges installationens effektivitet med stigende styrke og frekvens af det elektriske felt. I praksis er dette kun muligt inden for visse grænser.
Ved en frekvens højere end 4-5 MHz falder den elektriske effektivitet af højfrekvensgeneratoren-konverteren kraftigt, så brugen af højere frekvenser viser sig at være økonomisk urentabel.
Den højeste værdi af den elektriske feltstyrke bestemmes af den såkaldte nedbrydningsfeltstyrke for hver specifik type forarbejdet materiale.
Når styrken af nedbrydningsfeltet er nået, er der enten en lokal krænkelse af materialets integritet eller forekomsten af en elektrisk lysbue mellem elektroderne og materialets overflade. I denne henseende skal arbejdsfeltets styrke altid være mindre end nedbrydningens.
Materialets elektriske egenskaber afhænger ikke kun af dets fysiske natur, men også af de variable parametre, der karakteriserer dets tilstand - temperatur, fugtighed, tryk osv.
Disse parametre ændres under den teknologiske proces, hvilket skal tages i betragtning ved beregning af dielektriske varmeanordninger. Kun med den korrekte overvejelse af alle disse faktorer i deres samspil og forandring kan den økonomisk og teknologisk fordelagtige anvendelse af dielektriske opvarmningsanordninger i industrien sikres.
En højfrekvent limpresse er en anordning, der bruger dielektrisk opvarmning, for eksempel til at fremskynde limningen af træ. Selve enheden er stort set en almindelig limpresser. Den har dog også specielle elektroder til at skabe et højfrekvent elektrisk felt i den del, der skal limes. Feltet hæver hurtigt (inden for et par ti sekunder) produktets temperatur, normalt op til 50 — 70 ° C. Dette fremskynder betydeligt tørringen af limen.
I modsætning til højfrekvent opvarmning er mikrobølgeopvarmning dielektrisk opvarmning med en frekvens over 100 MHz, og elektromagnetiske bølger kan udsendes fra en lille sender og rettes mod et objekt gennem rummet.
Moderne mikrobølgeovne bruger elektromagnetiske bølger ved meget højere frekvenser end højfrekvente varmeapparater. Typiske hjemmemikrobølger fungerer i 2,45 GHz-området, men der er også 915 MHz mikrobølger. Det betyder, at bølgelængden af de radiobølger, der bruges til mikrobølgeopvarmning, er fra 0,1 cm til 10 cm.
Generering af mikrobølgeoscillationer i mikrobølgeovne finder sted med magnetroner.
Hver dielektrisk varmeinstallation består af en frekvensomformergenerator og en elektrotermisk enhed - en kondensator med specialformede plader. Fordi dielektrisk opvarmning kræver en høj frekvens (fra hundredvis af kilohertz til enheder af megahertz).
Teknologiens vigtigste opgave til opvarmning af dielektriske materialer med højfrekvente strømme er at sikre den nødvendige tilstand under hele forarbejdningsprocessen Løsningen på dette problem kompliceres af, at materialers elektriske egenskaber ændres under opvarmning, tørring eller som følge af andre ændringer i materialets tilstand. Konsekvensen af dette er en krænkelse af processens termiske regime og en ændring i lampegeneratorens driftsmåde.
Begge faktorer spiller en væsentlig rolle. Når man udvikler en teknologi til opvarmning af dielektriske materialer med højfrekvente strømme, skal det forarbejdede materiales egenskaber undersøges nøje, og ændringen i disse egenskaber skal analyseres gennem hele det teknologiske kredsløb.
Et materiales dielektriske konstant afhænger af dets fysiske egenskaber, temperatur, fugtighed og elektriske feltparametre. Dielektrisk konstant falder normalt, efterhånden som materialet tørrer og kan i nogle tilfælde ændre sig titusinder.
For de fleste materialer er frekvensafhængigheden af den dielektriske konstant mindre udtalt og bør kun tages i betragtning i nogle tilfælde. For hud er denne afhængighed f.eks. signifikant i lavfrekvensområdet, men efterhånden som frekvensen stiger, bliver den ubetydelig.
Som allerede nævnt afhænger materialernes dielektriske konstant af den temperaturændring, der altid følger med tørre- og opvarmningsprocesser.
Tangenten af vinklen for dielektriske tab forbliver heller ikke konstant under behandlingen, og dette har en betydelig indvirkning på forløbet af den teknologiske proces, da deltatangenten karakteriserer materialets evne til at absorbere energien fra et vekslende elektrisk felt.
I vid udstrækning afhænger tangenten af den dielektriske tabsvinkel af materialets fugtindhold. For nogle materialer ændres tangentdeltaet flere hundrede gange fra dens oprindelige værdi ved afslutningen af bearbejdningsprocessen. Så for eksempel for garn, når luftfugtigheden ændres fra 70 til 8%, falder tangenten af absorptionsvinklen 200 gange.
En vigtig egenskab ved materialet er nedbrydning af elektrisk feltspænding tilladt af dette materiale.
Forøgelsen af det elektriske felts gennembrudsstyrke begrænser muligheden for at øge spændingen på kondensatorpladerne og bestemmer dermed den øvre grænse for den effekt, der kan installeres.
En stigning i materialets temperatur og fugtighed samt frekvensen af det elektriske felt fører til et fald i nedbrydningsfeltets styrke.
For at sikre en forudbestemt teknologisk tilstand selv med ændringer i materialets elektriske parametre under tørringsprocessen, er det nødvendigt at justere generatorens driftstilstand. Med den korrekte ændring i generatorens driftstilstand er det muligt at opnå optimale forhold under hele driftscyklussen og opnå høj effektivitet af installationen.
Udformningen af arbejdskondensatoren bestemmes af formen og størrelsen af de opvarmede dele, egenskaberne af det opvarmede materiale, arten af den teknologiske proces og endelig typen af produktion.
I det enkleste tilfælde består den af to eller flere flade plader parallelt med hinanden. Plader kan være vandrette og lodrette. Flade elektroder bruges i installationer til tørring af savet træ, sveller, garn, limning af krydsfiner.
Ensartetheden af opvarmningsmaterialerne afhænger af ensartetheden af fordelingen af det elektriske felt gennem hele volumenet af den behandlede genstand.
Tilstedeværelsen af inhomogenitet i materialets struktur, en variabel luftspalte mellem elektroden og den ydre overflade af delen, tilstedeværelsen af ledende masser (holdere, understøtninger osv.) nær elektroderne fører til en ujævn fordeling af det elektriske Mark.
Derfor anvendes der i praksis en lang række designmuligheder for arbejdskondensatorer, som hver især er designet til en bestemt teknologisk proces.
Installationer til opvarmning med et dielektrikum i et højfrekvent elektrisk felt har en relativt lav effektivitet til en ret høj pris for det udstyr, der er inkluderet i disse installationer. Derfor kan brugen af en sådan metode kun retfærdiggøres efter en grundig undersøgelse og sammenligning af de økonomiske og teknologiske indikatorer for forskellige opvarmningsmetoder.
En frekvensomformer er påkrævet til alle højfrekvente dielektriske varmesystemer. Den samlede effektivitet af sådanne omformere er defineret som forholdet mellem den effekt, der leveres til kondensatorpladerne, og den effekt, der modtages fra elnettet.
Værdier af koefficienten for nyttig handling er i intervallet 0,4 - 0,8. Mængden af effektivitet afhænger af belastningen på frekvensomformeren. Som regel opnås konverterens højeste effektivitet, når den er normalt belastet.
De tekniske og økonomiske indikatorer for dielektriske varmeinstallationer afhænger væsentligt af designet af den elektrotermiske enhed. Korrekt udvalgt design af sidstnævnte sikrer høj effektivitet og maskintidsfaktor.
Se også:
Dielektrik i et elektrisk felt