Fizikalne osnove metod za visokofrekvenčno segrevanje dielektrikov (dielektrično sušenje)
V industrijskih tehnoloških procesih je pogosto potrebno segrevati materiale, ki spadajo v skupino dielektrikov in polprevodnikov. Tipični predstavniki tovrstnih materialov so različne vrste gume, lesa, tkanin, plastike, papirja itd.
Za električno ogrevanje takšnih materialov se uporabljajo naprave, ki uporabljajo sposobnost dielektrikov in polprevodnikov, da se zapletejo, ko so izpostavljeni izmeničnemu električnemu polju.
Do segrevanja pride, ker se v tem primeru del energije električnega polja nepovratno izgubi in se spremeni v toploto (dielektrično segrevanje).
S fizikalnega vidika je ta pojav razložen s porabo energije premika električni naboji v atomih in molekulah, ki nastane zaradi delovanja izmeničnega električnega polja.
Zaradi hkratnega segrevanja celotne prostornine izdelka dielektrično ogrevanje posebej priporočljivo za aplikacije, ki zahtevajo enakomerno in nežno sušenje.Ta rešitev je najbolj primerna za sušenje toplotno občutljivih izdelkov v živilski, industrijski in medicinski industriji, da se ohranijo vse njihove lastnosti.
Pomembno je omeniti, da se učinek električnega polja na dielektrik ali polprevodnik pojavi tudi v odsotnosti neposrednega električnega stika med elektrodama in materialom. Potrebno je le, da je material v območju električnega polja, ki deluje med elektrodama.
Uporaba visokofrekvenčnih električnih polj za segrevanje dielektrikov je bila predlagana v tridesetih letih prejšnjega stoletja. Na primer, ameriški patent 2.147.689 (vložen pri Bell Telephone Laboratories leta 1937) navaja: "Pričujoči izum se nanaša na grelno napravo za dielektrike in cilj pričujočega izuma je segrevati take materiale enakomerno in v bistvu istočasno."
Najenostavnejša shema naprave za ogrevanje z dielektrikom v obliki dveh ploščatih elektrod, na katere je priključena izmenična napetost in med elektrodama nameščen segret material, je prikazan na sliki.
Dielektrični ogrevalni krog
Prikazani diagram je električni kondenzator, pri katerem segret material deluje kot izolator med ploščama.
Količina energije, ki jo absorbira material komponente aktivne moči, je določena v naslednjem razmerju:
P = USe·I kerphi = USe2·w C tg delta,
kjer je UTo - napetost na ploščah kondenzatorja; C je kapacitivnost kondenzatorja; tg delta — kot izgube dielektrika.
Injection delta (kot dielektričnih izgub) komplementarni kot fi do 90 ° (fi je kot odmika med komponento aktivne in jalove moči) in ker je v vseh dielektričnih grelnih napravah kot blizu 90 °, lahko predpostavimo, da je kosinus phi približno enako tangenti delta.
Za idealen kondenzator brez izgub je kot fi = 90 °, to pomeni, da sta vektorja toka in napetosti medsebojno pravokotna in ima vezje čisto reaktivna moč.
Prisotnost kota dielektričnih izgub, ki ni enak nič, je nezaželen pojav za običajne kondenzatorje, ker povzroča izgube energije.
V dielektričnih ogrevalnih napravah so prav te izgube tisti, ki predstavljajo koristen učinek. Delovanje takih naprav z izgubnim kotom delta = 0 ni mogoče.
Za ploščate vzporedne elektrode (ploščati kondenzator) lahko moč na enoto prostornine materiala med elektrodama izračunamo po formuli
Py = 0,555·e daTgdelta,
kjer je f frekvenca, MHz; Ru - specifična absorbirana moč, W / cm3, e - električna poljska jakost, kv / cm; da = e / do je relativna dielektrična konstanta materiala.
To je Y. Primerjava kaže, da je učinkovitost dielektričnega ogrevanja določena z:
-
parametri električnega polja, ki ga ustvarja naprava (e in f);
-
električne lastnosti materialov (tangens dielektrične izgube in relativna dielektrična konstanta materiala).
Kot kaže analiza formule, se učinkovitost napeljave povečuje s povečanjem jakosti in frekvence električnega polja. V praksi je to mogoče le v določenih mejah.
Pri frekvenci, višji od 4-5 MHz, se električni izkoristek visokofrekvenčnega generatorja-pretvornika močno zmanjša, zato se uporaba višjih frekvenc izkaže za ekonomsko nerentabilno.
Najvišja vrednost električne poljske jakosti je določena s tako imenovano prebojno poljsko jakostjo za vsako specifično vrsto predelanega materiala.
Ko je moč prebojnega polja dosežena, pride bodisi do lokalne kršitve celovitosti materiala bodisi do pojava električnega obloka med elektrodama in površino materiala. V zvezi s tem mora biti moč delovnega polja vedno manjša od moči razpada.
Električne lastnosti materiala niso odvisne le od njegove fizične narave, ampak tudi od spremenljivih parametrov, ki označujejo njegovo stanje - temperaturo, vlažnost, tlak itd.
Ti parametri se med tehnološkim procesom spreminjajo, kar je treba upoštevati pri izračunu dielektričnih grelnih naprav. Le s pravilnim upoštevanjem vseh teh dejavnikov v njihovem medsebojnem delovanju in spreminjanju je mogoče zagotoviti ekonomsko in tehnološko ugodnejšo uporabo dielektričnih grelnih naprav v industriji.
Visokofrekvenčna lepilna stiskalnica je naprava, ki uporablja dielektrično segrevanje, na primer za pospešitev lepljenja lesa. Sama naprava je precej običajna stiskalnica za lepilo. Ima pa tudi posebne elektrode za ustvarjanje visokofrekvenčnega električnega polja v delu, ki ga lepimo. Polje hitro (v nekaj desetih sekundah) dvigne temperaturo izdelka, običajno do 50 - 70 ° C. To bistveno pospeši sušenje lepila.
Za razliko od visokofrekvenčnega gretja gre pri mikrovalovnem gretju za dielektrično segrevanje s frekvenco nad 100 MHz, elektromagnetno valovanje pa lahko oddaja majhen oddajnik in ga skozi prostor usmeri na predmet.
Sodobne mikrovalovne pečice uporabljajo elektromagnetne valove na veliko višjih frekvencah kot visokofrekvenčni grelci. Običajne domače mikrovalovne pečice delujejo v območju 2,45 GHz, obstajajo pa tudi mikrovalovne pečice 915 MHz. To pomeni, da je valovna dolžina radijskih valov, ki se uporabljajo pri segrevanju v mikrovalovni pečici, od 0,1 cm do 10 cm.
Generiranje mikrovalovnih nihanj poteka v mikrovalovnih pečicah z magnetroni.
Vsaka dielektrična ogrevalna naprava je sestavljena iz generatorja frekvenčnega pretvornika in elektrotermične naprave - kondenzatorja s posebno oblikovanimi ploščami. Ker dielektrično ogrevanje zahteva visoko frekvenco (od sto kilohercev do enot megahercev).
Najpomembnejša naloga tehnologije segrevanja dielektričnih materialov z visokofrekvenčnimi tokovi je zagotavljanje potrebnega režima med celotnim procesom obdelave.Rešitev tega problema otežuje dejstvo, da se električne lastnosti materialov spreminjajo med segrevanjem, sušenjem oz. zaradi drugih sprememb v stanju materiala. Posledica tega je kršitev toplotnega režima procesa in sprememba načina delovanja generatorja žarnice.
Oba dejavnika igrata pomembno vlogo. Zato je treba pri razvoju tehnologije segrevanja dielektričnih materialov z visokofrekvenčnimi tokovi natančno proučiti lastnosti obdelanega materiala in analizirati spreminjanje teh lastnosti v celotnem tehnološkem ciklu.
Dielektrična konstanta materiala je odvisna od njegovih fizikalnih lastnosti, temperature, vlažnosti in parametrov električnega polja. Dielektrična konstanta se običajno zmanjša, ko se material suši in se lahko v nekaterih primerih spremeni več desetkrat.
Pri večini materialov je odvisnost dielektrične konstante od frekvence manj izrazita in jo je treba upoštevati le v nekaterih primerih. Za kožo je na primer ta odvisnost pomembna v nizkofrekvenčnem območju, ko pa frekvenca narašča, postane nepomembna.
Kot smo že omenili, je dielektrična konstanta materialov odvisna od temperaturne spremembe, ki vedno spremlja procese sušenja in segrevanja.
Tudi tangens kota dielektričnih izgub med obdelavo ne ostane konstanten, kar pomembno vpliva na potek tehnološkega procesa, saj delta tangens označuje sposobnost materiala, da absorbira energijo izmeničnega električnega polja.
V veliki meri je tangens kota dielektrične izgube odvisen od vsebnosti vlage v materialu. Pri nekaterih materialih se tangentna delta do konca postopka obdelave spremeni za nekaj stokrat od svoje začetne vrednosti. Tako se na primer pri preji, ko se vlažnost spremeni s 70 na 8%, tangens absorpcijskega kota zmanjša 200-krat.
Pomembna lastnost materiala je napetost električnega polja pri razgradnji dovoljeno s tem gradivom.
Povečanje prebojne jakosti električnega polja omejuje možnost povečanja napetosti na ploščah kondenzatorja in s tem določa zgornjo mejo moči, ki jo je mogoče vgraditi.
Povečanje temperature in vlažnosti materiala ter frekvence električnega polja povzroči zmanjšanje jakosti prebojnega polja.
Da bi zagotovili vnaprej določen tehnološki način tudi ob spremembah električnih parametrov materiala med sušenjem, je treba prilagoditi način delovanja generatorja. S pravilno spremembo načina delovanja generatorja je mogoče doseči optimalne pogoje v celotnem obratovalnem ciklu in doseči visok izkoristek napeljave.
Zasnovo delovnega kondenzatorja določajo oblika in velikost ogrevanih delov, lastnosti ogrevanega materiala, narava tehnološkega procesa in končno vrsta proizvodnje.
V najpreprostejšem primeru je sestavljen iz dveh ali več ploščatih plošč, ki so med seboj vzporedne. Plošče so lahko vodoravne in navpične. Ploščate elektrode se uporabljajo v napravah za sušenje žaganega lesa, pragov, preje, lepljenje vezanega lesa.
Enakomernost segrevanja materialov je odvisna od enakomernosti porazdelitve električnega polja po celotni prostornini obdelovanega predmeta.
Prisotnost nehomogenosti v strukturi materiala, spremenljiva zračna reža med elektrodo in zunanjo površino dela, prisotnost prevodnih mas (držala, nosilci itd.) V bližini elektrod vodi do neenakomerne porazdelitve električnega polje.
Zato se v praksi uporabljajo najrazličnejše možnosti zasnove delovnih kondenzatorjev, od katerih je vsak zasnovan za določen tehnološki proces.
Instalacije za ogrevanje z dielektrikom v visokofrekvenčnem električnem polju imajo relativno nizek izkoristek ob precej visokih stroških opreme, vključene v te instalacije. Zato je uporaba takšnega načina lahko upravičena šele po temeljiti študiji in primerjavi ekonomskih in tehnoloških kazalcev različnih načinov ogrevanja.
Za vse visokofrekvenčne dielektrične ogrevalne sisteme je potreben frekvenčni pretvornik. Celotna učinkovitost takšnih pretvornikov je opredeljena kot razmerje med močjo, dovedeno na plošče kondenzatorja, in močjo, prejeto iz električnega omrežja.
Vrednosti koeficienta koristnega delovanja so v območju 0,4 - 0,8. Količina učinkovitosti je odvisna od obremenitve frekvenčnega pretvornika. Praviloma je največji izkoristek pretvornika dosežen, ko je normalno obremenjen.
Tehnični in ekonomski kazalniki dielektričnih ogrevalnih naprav so v veliki meri odvisni od zasnove elektrotermične naprave. Pravilno izbrana zasnova slednjega zagotavlja visoko učinkovitost in časovni faktor stroja.
Poglej tudi:
Dielektriki v električnem polju