Физичке основе метода за високофреквентно загревање диелектрика (диелектрично сушење)
У индустријским технолошким процесима често је потребно загревање материјала који припадају групи диелектрика и полупроводника. Типични представници таквих материјала су разне врсте гуме, дрвета, тканина, пластике, папира итд.
За електрично загревање таквих материјала користе се инсталације које користе способност диелектрика и полупроводника да се хватају када су изложени наизменичном електричном пољу.
До загревања долази јер се у овом случају део енергије електричног поља неповратно губи, претварајући се у топлоту (диелектрично загревање).
Са физичке тачке гледишта, овај феномен се објашњава потрошњом енергије померања електрична наелектрисања у атомима и молекулима, што је узроковано дејством наизменичног електричног поља.
Због истовременог загревања целокупне запремине производа диелектрично загревање посебно се препоручује за апликације које захтевају равномерно и нежно сушење.Ово решење је најпогодније за сушење производа осетљивих на топлоту у прехрамбеној, индустријској и медицинској индустрији како би се очувала сва њихова својства.
Важно је напоменути да се ефекат електричног поља на диелектрик или полупроводник јавља чак и у одсуству директног електричног контакта између електрода и материјала. Потребно је само да материјал буде у области електричног поља које делује између електрода.
Употреба високофреквентних електричних поља за загревање диелектрика предложена је 1930-их година. На пример, амерички патент 2,147,689 (поднет Белл Телепхоне Лабораториес 1937. године) каже: „Овај проналазак се односи на уређај за загревање диелектрика, а циљ овог проналаска је да се такви материјали загревају једнолично и суштински истовремено“.
Најједноставнији дијаграм уређаја за загревање са диелектриком у виду две равне електроде на које се примењује наизменични напон и загрејани материјал постављен између електрода приказан је на слици.
Диелектрични круг грејања
Приказани дијаграм је електрични кондензатор, у којој загрејани материјал делује као изолатор између плоча.
Одређује се количина енергије коју апсорбује материјал компоненте активне снаге и налази се у следећем односу:
П = УСе·И јер пхи = УСе2·в Ц тг делта,
где УТо — напон на плочама кондензатора; Ц је капацитет кондензатора; тг делта — угао диелектричних губитака.
Делта убризгавања (угао диелектричних губитака) комплементарни угао фи до 90° (фи је угао померања између компоненте активне и реактивне снаге) и пошто је у свим уређајима за диелектрично грејање угао близу 90°, можемо претпоставити да је косинус пхи приближно једнак тангентној делти.
За идеалан кондензатор без губитака, угао фи= 90°, тј. вектори струје и напона су међусобно окомити и коло има чисто реактивна снага.
Присуство угла диелектричног губитка различитог од нуле је непожељан феномен за конвенционалне кондензаторе јер узрокује губитке енергије.
У инсталацијама диелектричног грејања управо ови губици представљају користан ефекат. Рад таквих инсталација са углом губитка делта = 0 није могућ.
За равне паралелне електроде (равни кондензатор), снага по јединици запремине материјала између електрода може се израчунати по формули
Пи = 0,555·е даТгделта,
где је ф фреквенција, МХз; Ру — специфична апсорбована снага, В / цм3, е — јачина електричног поља, кв / цм; да = е / до је релативна диелектрична константа материјала.
Ово је И. Поређење показује да је ефикасност диелектричног загревања одређена:
-
параметри електричног поља које ствара инсталација (е и ф);
-
електрична својства материјала (тангента диелектричног губитка и релативна диелектрична константа материјала).
Како показује анализа формуле, ефикасност инсталације расте са повећањем јачине и фреквенције електричног поља. У пракси је то могуће само у одређеним границама.
На фреквенцији већој од 4-5 МХз, електрична ефикасност високофреквентног генератора-конвертера нагло опада, па се употреба виших фреквенција испоставља економски неисплативом.
Највећа вредност јачине електричног поља одређена је такозваном јачином пробојног поља за сваку специфичну врсту обрађеног материјала.
Када се достигне јачина пробојног поља, долази или до локалног кршења интегритета материјала, или до појаве електричног лука између електрода и површине материјала. С тим у вези, снага радног поља увек мора бити мања од снаге квара.
Електрична својства материјала зависе не само од његове физичке природе, већ и од променљивих параметара који карактеришу његово стање — температуре, влажности, притиска итд.
Ови параметри се мењају током технолошког процеса, што се мора узети у обзир при прорачуну уређаја за диелектрично грејање. Само уз правилно сагледавање свих ових фактора у њиховој интеракцији и промени, може се обезбедити економски и технолошки повољна употреба уређаја за диелектрично грејање у индустрији.
Високофреквентна преса за лепљење је уређај који користи диелектрично грејање, на пример, да убрза лепљење дрвета. Сам уређај је прилично обична преса за лепак. Међутим, има и посебне електроде за стварање високофреквентног електричног поља у делу који се лепи. Поље брзо (у року од неколико десетина секунди) подиже температуру производа, обично до 50 — 70 ° Ц. Ово значајно убрзава сушење лепка.
За разлику од високофреквентног грејања, микроталасно грејање је диелектрично грејање са фреквенцијом изнад 100 МХз, а електромагнетни таласи се могу емитовати из малог емитера и усмеравати на објекат кроз простор.
Модерне микроталасне пећнице користе електромагнетне таласе на много вишим фреквенцијама од високофреквентних грејача. Типичне кућне микроталасне пећнице раде у опсегу од 2,45 ГХз, али постоје и микроталаси од 915 МХз. То значи да је таласна дужина радио таласа који се користе у микроталасном грејању од 0,1 цм до 10 цм.
Генерисање микроталасних осцилација у микроталасним пећницама се одвија са магнетронима.
Свака инсталација за диелектрично грејање састоји се од генератора претварача фреквенције и електротермалног уређаја — кондензатора са плочама посебног облика. Пошто диелектрично загревање захтева високу фреквенцију (од стотина килохерца до јединица мегахерца).
Најважнији задатак технологије загревања диелектричних материјала високофреквентним струјама је да обезбеди потребан режим током читавог процеса обраде.Решење овог проблема отежава чињеница да се електрична својства материјала мењају током загревања, сушења или као резултат других промена стања материјала. Последица овога је кршење термичког режима процеса и промена начина рада генератора лампе.
Оба фактора играју значајну улогу. Због тога се при развоју технологије загревања диелектричних материјала високофреквентним струјама морају пажљиво проучити својства обрађеног материјала и анализирати промена ових својстава током технолошког циклуса.
Диелектрична константа материјала зависи од његових физичких својстава, температуре, влажности и параметара електричног поља. Диелектрична константа се обично смањује како се материјал суши и у неким случајевима се може променити десетине пута.
За већину материјала фреквенцијска зависност диелектричне константе је мање изражена и треба је узети у обзир само у неким случајевима. За кожу, на пример, ова зависност је значајна у подручју ниске фреквенције, али како се фреквенција повећава, постаје безначајна.
Као што је већ поменуто, диелектрична константа материјала зависи од промене температуре која увек прати процесе сушења и загревања.
Тангенс угла диелектричних губитака такође не остаје константан током обраде, а то има значајан утицај на ток технолошког процеса, пошто делта тангента карактерише способност материјала да апсорбује енергију наизменичног електричног поља.
У великој мери, тангент угла диелектричног губитка зависи од садржаја влаге у материјалу. За неке материјале, тангентна делта се мења неколико стотина пута од своје почетне вредности до краја процеса обраде. Тако, на пример, за предиво, када се влажност промени од 70 до 8%, тангент угла апсорпције смањује се 200 пута.
Важна карактеристика материјала је напон електричног поља пробоја дозвољено овим материјалом.
Повећање пробојне јачине електричног поља ограничава могућност повећања напона на плочама кондензатора и тиме одређује горњу границу снаге која се може уградити.
Повећање температуре и влажности материјала, као и фреквенције електричног поља, доводи до смањења јачине пробојног поља.
Да би се обезбедио унапред одређени технолошки режим чак и са променама електричних параметара материјала током процеса сушења, потребно је прилагодити режим рада генератора. Правилном променом режима рада генератора могуће је постићи оптималне услове током целог радног циклуса и постићи високу ефикасност инсталације.
Дизајн радног кондензатора одређен је обликом и величином загрејаних делова, особинама загрејаног материјала, природом технолошког процеса и, коначно, врстом производње.
У најједноставнијем случају, састоји се од две или више равних плоча паралелних једна са другом. Плоче могу бити хоризонталне и вертикалне. Равне електроде се користе у инсталацијама за сушење резане грађе, прагова, предива, лепљења шперплоче.
Уједначеност грејних материјала зависи од уједначености дистрибуције електричног поља по целој запремини третираног предмета.
Присуство нехомогености у структури материјала, променљиви ваздушни зазор између електроде и спољашње површине дела, присуство проводних маса (држача, носача, итд.) у близини електрода доводе до неравномерне расподеле електричне енергије. поље.
Због тога се у пракси користи широк избор опција дизајна радних кондензатора, од којих је сваки дизајниран за одређени технолошки процес.
Инсталације за грејање са диелектриком у високофреквентном електричном пољу имају релативно ниску ефикасност уз прилично високу цену опреме укључене у ове инсталације. Стога се употреба такве методе може оправдати тек након темељног проучавања и поређења економских и технолошких показатеља различитих метода грејања.
За све високофреквентне диелектричне системе грејања потребан је фреквентни претварач. Укупна ефикасност таквих претварача се дефинише као однос снаге која се испоручује на плоче кондензатора и снаге примљене из електричне мреже.
Вредности коефицијента корисног деловања су у распону од 0,4 - 0,8. Количина ефикасности зависи од оптерећења фреквентног претварача. По правилу, највећа ефикасност претварача се постиже када је нормално оптерећен.
Технички и економски показатељи инсталација диелектричног грејања значајно зависе од дизајна електротермалног уређаја. Правилно одабрани дизајн овог другог осигурава високу ефикасност и фактор времена машине.
Такође видети:
Диелектрици у електричном пољу