Fysisk grund för metoder för högfrekvent uppvärmning av dielektrikum (dielektrisk torkning)
I industriella tekniska processer är det ofta nödvändigt att värma material som tillhör gruppen dielektriska och halvledare. Typiska representanter för sådana material är olika typer av gummi, trä, tyger, plast, papper etc.
För elektrisk uppvärmning av sådana material används installationer som använder dielektrikums och halvledares förmåga att fastna när de utsätts för ett växlande elektriskt fält.
Uppvärmning sker på grund av att i detta fall en del av energin i det elektriska fältet går oåterkalleligt förlorad och omvandlas till värme (dielektrisk uppvärmning).
Ur fysisk synvinkel förklaras detta fenomen av förbrukningen av förskjutningsenergi elektriska laddningar i atomer och molekyler, vilket orsakas av inverkan av ett växlande elektriskt fält.
På grund av den samtidiga uppvärmningen av hela volymen av produkten dielektrisk uppvärmning rekommenderas speciellt för applikationer som kräver jämn och skonsam torkning.Denna lösning är bäst lämpad för torkning av värmekänsliga produkter inom livsmedels-, industri- och medicinindustrin för att bevara alla deras egenskaper.
Det är viktigt att notera att effekten av ett elektriskt fält på en dielektrikum eller halvledare inträffar även i frånvaro av direkt elektrisk kontakt mellan elektroderna och materialet. Det är bara nödvändigt att materialet är i området för det elektriska fältet som verkar mellan elektroderna.
Användningen av högfrekventa elektriska fält för att värma dielektrikum föreslogs på 1930-talet. Till exempel, US patent 2 147 689 (inlämnat till Bell Telephone Laboratories 1937) anger: "Föreliggande uppfinning hänför sig till en uppvärmningsanordning för dielektrikum, och syftet med föreliggande uppfinning är att värma sådana material likformigt och väsentligen samtidigt."
Det enklaste diagrammet för en anordning för uppvärmning med ett dielektrikum i form av två platta elektroder på vilka en växelspänning appliceras och ett uppvärmt material placerat mellan elektroderna visas i figuren.
Dielektrisk värmekrets
Diagrammet som visas är elektrisk kondensator, där det uppvärmda materialet fungerar som en isolator mellan plattorna.
Mängden energi som absorberas av det aktiva kraftkomponentmaterialet bestäms och återfinns i följande förhållande:
P = USe·I eftersomphi = USe2·w C tg delta,
där UTo — spänning på kondensatorns plattor; C är kondensatorns kapacitans; tg delta — dielektrisk förlustvinkel.
Injektionsdelta (vinkel för dielektriska förluster) komplementär vinkel fi upp till 90° (fi är förskjutningsvinkeln mellan de aktiva och reaktiva effektkomponenterna) och eftersom vinkeln i alla dielektriska värmeanordningar är nära 90°, kan vi anta att cosinus phi ungefär lika med tangent delta.
För en idealisk förlustfri kondensator är vinkeln fi= 90°, dvs. ström- och spänningsvektorerna är inbördes vinkelräta och kretsen har en rent responsiv kraft.
Närvaron av en dielektrisk förlustvinkel annan än noll är ett oönskat fenomen för konventionella kondensatorer eftersom det orsakar energiförluster.
I dielektriska värmeinstallationer är det just dessa förluster som representerar en användbar effekt. Driften av sådana installationer med en förlustvinkel delta = 0 är inte möjlig.
För platta parallella elektroder (platt kondensator) kan effekten per volymenhet av materialet mellan elektroderna beräknas med formeln
Py = 0,555·e daTgdelta,
där f är frekvensen, MHz; Ru — specifik absorberad effekt, W/cm3, e — elektrisk fältstyrka, kv/cm; da = e / do är den relativa dielektricitetskonstanten för materialet.
Detta är Y. Jämförelsen visar att effektiviteten för dielektrisk uppvärmning bestäms av:
-
parametrar för det elektriska fältet som genereras av installationen (e och f);
-
elektriska egenskaper hos material (dielektrisk förlusttangens och materialets relativa dielektriska konstant).
Som analysen av formeln visar ökar installationens effektivitet med ökande styrka och frekvens av det elektriska fältet. I praktiken är detta endast möjligt inom vissa gränser.
Vid en frekvens högre än 4-5 MHz minskar den elektriska effektiviteten hos högfrekvensgeneratorn-omvandlaren kraftigt, så användningen av högre frekvenser visar sig vara ekonomiskt olönsam.
Det högsta värdet på den elektriska fältstyrkan bestäms av den så kallade nedbrytningsfältstyrkan för varje specifik typ av bearbetat material.
När styrkan hos nedbrytningsfältet uppnås, finns det antingen en lokal kränkning av materialets integritet eller förekomsten av en elektrisk båge mellan elektroderna och materialets yta. I detta avseende måste arbetsfältets styrka alltid vara mindre än nedbrytningens.
Materialets elektriska egenskaper beror inte bara på dess fysiska natur, utan också på de varierande parametrarna som kännetecknar dess tillstånd - temperatur, fuktighet, tryck etc.
Dessa parametrar förändras under den tekniska processen, vilket måste beaktas vid beräkning av dielektriska värmeanordningar. Endast med korrekt hänsyn till alla dessa faktorer i deras samverkan och förändring, kan den ekonomiskt och tekniskt fördelaktiga användningen av dielektriska värmeanordningar inom industrin säkerställas.
En högfrekvent limpress är en anordning som använder dielektrisk uppvärmning, till exempel för att påskynda limningen av trä. Själva enheten är i stort sett en vanlig limpress. Den har dock även speciella elektroder för att skapa ett högfrekvent elektriskt fält i den del som ska limmas. Fältet höjer snabbt (inom några tiotal sekunder) produktens temperatur, vanligtvis upp till 50 — 70 ° C. Detta påskyndar avsevärt torkning av limet.
Till skillnad från högfrekvent uppvärmning är mikrovågsuppvärmning dielektrisk uppvärmning med en frekvens över 100 MHz, och elektromagnetiska vågor kan sändas ut från en liten sändare och riktas mot ett föremål genom rymden.
Moderna mikrovågsugnar använder elektromagnetiska vågor vid mycket högre frekvenser än högfrekventa värmare. Typiska hemmikrovågor fungerar i 2,45 GHz-området, men det finns också 915 MHz mikrovågor. Det betyder att våglängden på radiovågorna som används vid mikrovågsuppvärmning är från 0,1 cm till 10 cm.
Genereringen av mikrovågsoscillationer i mikrovågsugnar äger rum med magnetroner.
Varje dielektrisk värmeinstallation består av en frekvensomvandlargenerator och en elektrotermisk anordning — en kondensator med speciellt formade plattor. Eftersom dielektrisk uppvärmning kräver en hög frekvens (från hundratals kilohertz till enheter megahertz).
Den viktigaste uppgiften för tekniken för uppvärmning av dielektriska material med högfrekventa strömmar är att säkerställa det nödvändiga läget under hela bearbetningsprocessen.Lösningen på detta problem kompliceras av det faktum att de elektriska egenskaperna hos material förändras under uppvärmning, torkning eller till följd av andra förändringar i materialets tillstånd. Konsekvensen av detta är ett brott mot processens termiska regim och en förändring av lampgeneratorns funktionssätt.
Båda faktorerna spelar en betydande roll. När man utvecklar en teknik för uppvärmning av dielektriska material med högfrekventa strömmar måste därför egenskaperna hos det bearbetade materialet studeras noggrant och förändringen av dessa egenskaper måste analyseras under hela den tekniska cykeln.
Den dielektriska konstanten för ett material beror på dess fysikaliska egenskaper, temperatur, fuktighet och elektriska fältparametrar. Dielektricitetskonstanten minskar vanligtvis när materialet torkar och kan i vissa fall förändras tiotals gånger.
För de flesta material är frekvensberoendet för dielektricitetskonstanten mindre uttalat och bör endast beaktas i vissa fall. För hud, till exempel, är detta beroende signifikant i lågfrekvensområdet, men när frekvensen ökar blir det obetydligt.
Som redan nämnts beror den dielektriska konstanten hos material på den temperaturförändring som alltid följer med torknings- och uppvärmningsprocesser.
Tangenten för vinkeln för dielektriska förluster förblir inte heller konstant under bearbetning, och detta har en betydande inverkan på förloppet av den tekniska processen, eftersom deltatangenten kännetecknar materialets förmåga att absorbera energin från ett alternerande elektriskt fält.
Till stor del beror tangenten för den dielektriska förlustvinkeln på materialets fukthalt. För vissa material ändras tangentdeltatet flera hundra gånger från dess initiala värde vid slutet av bearbetningsprocessen. Så, till exempel, för garn, när luftfuktigheten ändras från 70 till 8%, minskar tangenten för absorptionsvinkeln 200 gånger.
En viktig egenskap hos materialet är genombrott elektrisk fältspänning tillåts av detta material.
Ökningen av det elektriska fältets genomslagsstyrka begränsar möjligheten att öka spänningen på kondensatorplattorna och bestämmer därmed den övre gränsen för den effekt som kan installeras.
En ökning av materialets temperatur och fuktighet, såväl som frekvensen av det elektriska fältet, leder till en minskning av styrkan hos nedbrytningsfältet.
För att säkerställa ett förutbestämt tekniskt läge även med förändringar i materialets elektriska parametrar under torkningsprocessen, är det nödvändigt att justera generatorns driftläge. Med korrekt förändring av generatorns driftläge är det möjligt att uppnå optimala förhållanden under hela driftcykeln och uppnå hög effektivitet i installationen.
Utformningen av arbetskondensorn bestäms av formen och storleken på de uppvärmda delarna, egenskaperna hos det uppvärmda materialet, arten av den tekniska processen och slutligen typen av produktion.
I det enklaste fallet består den av två eller flera platta plattor parallella med varandra. Plattor kan vara horisontella och vertikala. Platta elektroder används i installationer för torkning av sågat virke, slipers, garn, limning av plywood.
Likformigheten hos värmematerialen beror på likformigheten i fördelningen av det elektriska fältet över hela volymen av det behandlade föremålet.
Närvaron av inhomogenitet i materialets struktur, ett variabelt luftgap mellan elektroden och den yttre ytan av delen, närvaron av ledande massor (hållare, stöd, etc.) nära elektroderna leder till en ojämn fördelning av den elektriska fält.
Därför används i praktiken ett brett utbud av designalternativ för arbetskondensatorer, som var och en är designad för en viss teknisk process.
Installationer för uppvärmning med ett dielektrikum i ett högfrekvent elektriskt fält har en relativt låg verkningsgrad till en ganska hög kostnad för den utrustning som ingår i dessa installationer. Därför kan användningen av en sådan metod endast motiveras efter en grundlig studie och jämförelse av de ekonomiska och tekniska indikatorerna för olika uppvärmningsmetoder.
En frekvensomvandlare krävs för alla högfrekventa dielektriska värmesystem. Den totala effektiviteten för sådana omvandlare definieras som förhållandet mellan den effekt som tillförs kondensatorplattorna och den effekt som tas emot från elnätet.
Värdena för koefficienten för användbar åtgärd ligger i intervallet 0,4 - 0,8. Mängden effektivitet beror på belastningen på frekvensomformaren. Som regel uppnås omvandlarens högsta verkningsgrad när den är normalt belastad.
De tekniska och ekonomiska indikatorerna för dielektriska värmeinstallationer beror avsevärt på utformningen av den elektrotermiska enheten. Rätt vald design av den senare säkerställer hög effektivitet och maskintidsfaktor.
Se även:
Dielektrikum i ett elektriskt fält