Dielektrikumok nagyfrekvenciás hevítési módszereinek fizikai alapja (dielektromos szárítás)
Az ipari technológiai folyamatokban gyakran szükséges a dielektrikumok és félvezetők csoportjába tartozó anyagok melegítése. Az ilyen anyagok tipikus képviselői a különböző típusú gumi, fa, szövetek, műanyagok, papír stb.
Az ilyen anyagok elektromos melegítésére olyan berendezéseket használnak, amelyek a dielektrikumok és a félvezetők megragadási képességét használják váltakozó elektromos térnek kitéve.
A felmelegedés azért következik be, mert ebben az esetben az elektromos tér energiájának egy része helyrehozhatatlanul elvész, hővé alakul át (dielektromos fűtés).
Fizikai szempontból ezt a jelenséget az elmozdulási energia fogyasztása magyarázza elektromos töltések atomokban és molekulákban, amit váltakozó elektromos tér hatása okoz.
A termék teljes térfogatának egyidejű melegítése miatt dielektromos fűtés különösen ajánlott az egyenletes és gyengéd szárítást igénylő alkalmazásokhoz.Ez a megoldás a legmegfelelőbb hőérzékeny termékek szárítására az élelmiszeriparban, az iparban és az orvosi iparban, hogy megőrizzék minden tulajdonságukat.
Fontos megjegyezni, hogy az elektromos tér dielektrikumra vagy félvezetőre gyakorolt hatása akkor is fellép, ha nincs közvetlen elektromos érintkezés az elektródák és az anyag között. Csak az szükséges, hogy az anyag az elektródák között ható elektromos tér tartományában legyen.
Az 1930-as években javasolták a nagyfrekvenciás elektromos mezők használatát a dielektrikumok melegítésére. Például a 2 147 689 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalom (amelyet a Bell Telephone Laboratories-hoz nyújtottak be 1937-ben) kijelenti: "A jelen találmány dielektrikumok fűtőberendezésére vonatkozik, és a jelen találmány célja az ilyen anyagok egyenletes és lényegében egyidejű melegítése."
Az ábrán látható egy olyan eszköz legegyszerűbb diagramja, amely két lapos elektródából álló dielektrikummal fűt, amelyekre váltakozó feszültséget kapcsolnak, és az elektródák közé fűtött anyagot helyeznek el.
Dielektromos fűtőkör
A bemutatott diagram az elektromos kondenzátor, amelyben a felmelegített anyag szigetelőként működik a lemezek között.
Az aktív teljesítménykomponens anyaga által elnyelt energia mennyiségét a következő arányban határozzuk meg:
P = USe·I, mertphi = USe2·w C tg delta,
ahol UTo – feszültség a kondenzátor lemezein; C a kondenzátor kapacitása; tg delta — dielektromos veszteségszög.
Befecskendezési delta (dielektromos veszteségek szöge) fi komplementer szög 90 °-ig (fi az aktív és meddő teljesítmény összetevők közötti elmozdulási szög) és mivel minden dielektromos fűtőberendezésben a szög közel 90 °, feltételezhetjük, hogy a koszinusz phi megközelítőleg egyenlő a delta érintővel.
Ideális veszteségmentes kondenzátor esetén a szög fi=90°, azaz az áram- és feszültségvektorok egymásra merőlegesek, és az áramkör tisztán meddő teljesítmény.
A nullától eltérő dielektromos veszteségszög jelenléte nem kívánatos jelenség a hagyományos kondenzátoroknál, mert energiaveszteséget okoz.
A dielektromos fűtési rendszerekben éppen ezek a veszteségek jelentenek hasznos hatást. Az ilyen berendezések működése delta = 0 veszteségi szöggel nem lehetséges.
Lapos párhuzamos elektródák (lapos kondenzátor) esetén az elektródák közötti anyag térfogategységenkénti teljesítménye a következő képlettel számítható ki
Py = 0,555·e daTgdelta,
ahol f a frekvencia, MHz; Ru - fajlagos elnyelt teljesítmény, W / cm3, e - elektromos térerősség, kv / cm; da = e / do az anyag relatív dielektromos állandója.
Ez Y. Az összehasonlítás azt mutatja, hogy a dielektromos fűtés hatékonyságát a következők határozzák meg:
-
a létesítmény által keltett elektromos tér paraméterei (e és f);
-
anyagok elektromos tulajdonságai (dielektromos veszteség érintő és az anyag relatív dielektromos állandója).
Amint a képlet elemzése mutatja, a telepítés hatékonysága az elektromos tér erősségének és frekvenciájának növekedésével nő. A gyakorlatban ez csak bizonyos határok között lehetséges.
4-5 MHz-nél nagyobb frekvencián a nagyfrekvenciás generátor-átalakító elektromos hatásfoka meredeken csökken, így a magasabb frekvenciák használata gazdaságilag veszteségesnek bizonyul.
Az elektromos térerősség legmagasabb értékét minden egyes feldolgozott anyagtípusnál az úgynevezett áttörési térerő határozza meg.
A letörési tér erősségének elérésekor vagy az anyag integritásának helyi megsértése, vagy elektromos ív keletkezik az elektródák és az anyag felülete között. Ebben a tekintetben a munkatér erősségének mindig kisebbnek kell lennie, mint a meghibásodásé.
Az anyag elektromos tulajdonságai nemcsak fizikai természetétől függenek, hanem az állapotát jellemző változó paraméterektől is - hőmérséklet, páratartalom, nyomás stb.
Ezek a paraméterek a technológiai folyamat során változnak, amit a dielektromos fűtőberendezések számításánál figyelembe kell venni. Csak mindezen tényezők kölcsönhatásában és változásában való helyes figyelembevételével biztosítható a dielektromos fűtőberendezések gazdaságilag és technológiailag előnyös ipari felhasználása.
A nagyfrekvenciás ragasztóprés olyan eszköz, amely dielektromos fűtést alkalmaz például a fa ragasztásának felgyorsítására. Maga a készülék nagyjából egy szokásos ragasztóprés. Ugyanakkor speciális elektródákkal is rendelkezik, amelyek nagyfrekvenciás elektromos mezőt hoznak létre a ragasztandó alkatrészben. A mező gyorsan (néhány tíz másodpercen belül) megemeli a termék hőmérsékletét, általában 50-70 °C-ra. Ez jelentősen felgyorsítja a ragasztó száradását.
A nagyfrekvenciás fűtéssel ellentétben a mikrohullámú fűtés 100 MHz feletti frekvenciájú dielektromos fűtés, és egy kis emitterből elektromágneses hullámok bocsáthatók ki, és a téren keresztül egy tárgyra irányíthatók.
A modern mikrohullámú sütők sokkal magasabb frekvenciájú elektromágneses hullámokat használnak, mint a magas frekvenciájú fűtőberendezések. A tipikus otthoni mikrohullámú sütők a 2,45 GHz-es tartományban működnek, de vannak 915 MHz-es mikrohullámú sütők is. Ez azt jelenti, hogy a mikrohullámú melegítésnél használt rádióhullámok hullámhossza 0,1 cm és 10 cm között van.
A mikrohullámú sütőkben mikrohullámú rezgések keletkeznek magnetronokkal.
Minden dielektromos fűtőberendezés egy frekvenciaváltó generátorból és egy elektrotermikus berendezésből áll – egy speciálisan kialakított lemezekkel ellátott kondenzátorból. Mivel a dielektromos fűtés nagy frekvenciát igényel (több száz kilohertztől a megahertz egységig).
A dielektromos anyagok nagyfrekvenciás árammal történő hevítésének technológiájának legfontosabb feladata a szükséges üzemmód biztosítása a teljes feldolgozási folyamat során, a probléma megoldását nehezíti, hogy az anyagok elektromos tulajdonságai a melegítés, szárítás, ill. az anyag állapotában bekövetkezett egyéb változások következtében. Ennek következménye a folyamat termikus rezsimjének megsértése és a lámpagenerátor működési módjának megváltozása.
Mindkét tényező jelentős szerepet játszik. Ezért a dielektromos anyagok nagyfrekvenciás árammal történő hevítési technológiájának kidolgozásakor alaposan tanulmányozni kell a feldolgozott anyag tulajdonságait, és elemezni kell ezen tulajdonságok változását a technológiai ciklus során.
Egy anyag dielektromos állandója függ a fizikai tulajdonságaitól, a hőmérséklettől, a páratartalomtól és az elektromos tér paramétereitől. A dielektromos állandó általában csökken, ahogy az anyag szárad, és bizonyos esetekben több tízszer is változhat.
A legtöbb anyag esetében a dielektromos állandó frekvenciafüggése kevésbé kifejezett, és csak bizonyos esetekben kell figyelembe venni. A bőr esetében például ez a függőség az alacsony frekvenciájú régióban jelentős, de a frekvencia növekedésével jelentéktelenné válik.
Mint már említettük, az anyagok dielektromos állandója a szárítási és melegítési folyamatokat mindig kísérő hőmérsékletváltozástól függ.
A dielektromos veszteségek szögének érintője sem marad állandó a feldolgozás során, és ez jelentősen befolyásolja a technológiai folyamat menetét, hiszen a delta érintő az anyag váltakozó elektromos tér energiájának elnyelő képességét jellemzi.
A dielektromos veszteségszög tangense nagymértékben függ az anyag nedvességtartalmától. Egyes anyagoknál az érintő delta a megmunkálási folyamat végére a kezdeti értékéhez képest több százszorosára változik. Így például a fonal esetében, amikor a páratartalom 70-ről 8%-ra változik, az abszorpciós szög érintője 200-szor csökken.
Az anyag fontos jellemzője az törés elektromos tér feszültség ez az anyag lehetővé teszi.
Az elektromos tér áttörési erősségének növekedése korlátozza a kondenzátorlapokon a feszültség növelésének lehetőségét, és így meghatározza a beépíthető teljesítmény felső határát.
Az anyag hőmérsékletének és páratartalmának, valamint az elektromos tér frekvenciájának növekedése a törésmező erősségének csökkenéséhez vezet.
Annak érdekében, hogy a szárítási folyamat során az anyag elektromos paramétereinek változása esetén is egy előre meghatározott technológiai módot biztosítsunk, be kell állítani a generátor működési módját. A generátor működési módjának helyes megváltoztatásával a teljes működési ciklus alatt optimális feltételeket lehet elérni, és a telepítés magas hatékonyságát elérni.
A munkakondenzátor kialakítását a fűtött részek alakja és mérete, a fűtött anyag tulajdonságai, a technológiai folyamat jellege és végül a gyártás típusa határozza meg.
A legegyszerűbb esetben két vagy több, egymással párhuzamos lapból áll. A lemezek lehetnek vízszintesek és függőlegesek. A lapos elektródákat fűrészáru, talpfák, fonalak, rétegelt lemez ragasztására szolgáló berendezésekben használják.
A fűtőanyagok egyenletessége az elektromos tér eloszlásának egyenletességétől függ a kezelt tárgy teljes térfogatában.
Az anyag szerkezetének inhomogenitása, az elektróda és az alkatrész külső felülete közötti változó légrés, az elektródák közelében vezető tömegek (tartók, támaszok stb.) jelenléte az elektromos áram egyenetlen eloszlásához vezet. terület.
Ezért a gyakorlatban a működő kondenzátorok tervezési lehetőségeinek széles skáláját használják, amelyek mindegyike egy bizonyos technológiai folyamathoz készült.
A nagyfrekvenciás elektromos térben dielektrikummal történő fűtésre szolgáló berendezések viszonylag alacsony hatásfokkal rendelkeznek az ezekben a berendezésekben található berendezések meglehetősen magas költsége mellett. Ezért egy ilyen módszer alkalmazása csak a különböző fűtési módok gazdasági és technológiai mutatóinak alapos tanulmányozása és összehasonlítása után indokolható.
Minden nagyfrekvenciás dielektromos fűtési rendszerhez frekvenciaváltó szükséges. Az ilyen konverterek általános hatásfoka a kondenzátorlapokra szolgáltatott teljesítmény és az elektromos hálózattól kapott teljesítmény aránya.
A hasznos hatás együttható értékei 0,4-0,8 tartományban vannak. A hatásfok mértéke a frekvenciaváltó terhelésétől függ. Általános szabály, hogy az átalakító legnagyobb hatásfoka normál terhelés mellett érhető el.
A dielektromos fűtőberendezések műszaki és gazdasági mutatói jelentősen függenek az elektrotermikus berendezés kialakításától. Ez utóbbiak megfelelően megválasztott kialakítása biztosítja a magas hatásfokot és a gépi időtényezőt.
Lásd még:
Dielektrikumok elektromos térben