Fyzikálne základy metód vysokofrekvenčného ohrevu dielektrika (dielektrické sušenie)
V priemyselných technologických procesoch je často potrebné ohrievať materiály patriace do skupiny dielektrík a polovodičov. Typickými predstaviteľmi takýchto materiálov sú rôzne druhy gumy, dreva, látok, plastov, papiera atď.
Na elektrický ohrev takýchto materiálov sa používajú inštalácie, ktoré využívajú schopnosť dielektrík a polovodičov zadierať sa pri pôsobení striedavého elektrického poľa.
K zahrievaniu dochádza, pretože v tomto prípade sa časť energie elektrického poľa nenávratne stratí a zmení sa na teplo (dielektrické vykurovanie).
Z fyzikálneho hľadiska sa tento jav vysvetľuje spotrebou energie výtlaku elektrické náboje v atómoch a molekulách, čo je spôsobené pôsobením striedavého elektrického poľa.
V dôsledku súčasného ohrevu celého objemu produktu dielektrické vykurovanie odporúča sa najmä pre aplikácie vyžadujúce rovnomerné a jemné sušenie.Toto riešenie sa najlepšie hodí na sušenie produktov citlivých na teplo v potravinárskom, priemyselnom a medicínskom priemysle, aby sa zachovali všetky ich vlastnosti.
Je dôležité poznamenať, že účinok elektrického poľa na dielektrikum alebo polovodič nastáva aj pri absencii priameho elektrického kontaktu medzi elektródami a materiálom. Je len potrebné, aby bol materiál v oblasti elektrického poľa pôsobiaceho medzi elektródami.
Použitie vysokofrekvenčných elektrických polí na ohrev dielektrika bolo navrhnuté v 30. rokoch 20. storočia. Napríklad US patent 2 147 689 (podaný Bell Telephone Laboratories v roku 1937) uvádza: "Predložený vynález sa týka ohrievacieho zariadenia pre dielektrika a cieľom tohto vynálezu je zohrievať takéto materiály rovnomerne a v podstate súčasne."
Najjednoduchšia schéma zariadenia na ohrev dielektrikom vo forme dvoch plochých elektród, na ktoré je privedené striedavé napätie a ohrievaný materiál umiestnený medzi elektródami, je znázornený na obrázku.
Dielektrický vykurovací okruh
Zobrazený diagram je elektrický kondenzátor, v ktorom zohriaty materiál pôsobí ako izolant medzi platňami.
Množstvo energie absorbovanej materiálom aktívnej zložky je určené a nachádza sa v nasledujúcom pomere:
P = USe·I, pretožephi = USe2·w C tg delta,
kde UTo — napätie na doskách kondenzátora; C je kapacita kondenzátora; tg delta — uhol dielektrickej straty.
Delta vstreku (uhol dielektrických strát) doplnkový uhol fi až 90° (fi je uhol posunutia medzi činnou a jalovou zložkou výkonu) a keďže vo všetkých dielektrických vykurovacích zariadeniach je uhol blízky 90°, môžeme predpokladať, že kosínus phi sa približne rovná delte dotyčnice.
Pre ideálny bezstratový kondenzátor je uhol fi= 90°, t.j. vektory prúdu a napätia sú navzájom kolmé a obvod má čisto jalový výkon.
Prítomnosť iného než nulového uhla dielektrickej straty je nežiaducim javom pre bežné kondenzátory, pretože spôsobuje straty energie.
V dielektrických vykurovacích zariadeniach sú to práve tieto straty, ktoré predstavujú užitočný efekt. Prevádzka takýchto zariadení so stratovým uhlom delta = 0 nie je možná.
Pre ploché paralelné elektródy (plochý kondenzátor) možno výkon na jednotku objemu materiálu medzi elektródami vypočítať podľa vzorca
Py = 0,555·e daTgdelta,
kde f je frekvencia, MHz; Ru — špecifický absorbovaný výkon, W / cm3, e — intenzita elektrického poľa, kv / cm; da = e / do je relatívna dielektrická konštanta materiálu.
Toto je YPorovnanie ukazuje, že účinnosť dielektrického ohrevu je určená:
-
parametre elektrického poľa generovaného inštaláciou (e a f);
-
elektrické vlastnosti materiálov (dielektrická stratová tangenta a relatívna dielektrická konštanta materiálu).
Ako ukazuje analýza vzorca, účinnosť inštalácie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa silou a frekvenciou elektrického poľa. V praxi je to možné len v určitých medziach.
Pri frekvencii vyššej ako 4-5 MHz elektrická účinnosť vysokofrekvenčného generátora-meniča prudko klesá, takže použitie vyšších frekvencií sa ukazuje ako ekonomicky nerentabilné.
Najvyššiu hodnotu intenzity elektrického poľa určuje takzvaná prierazná intenzita poľa pre každý konkrétny typ spracovávaného materiálu.
Pri dosiahnutí sily prierazného poľa dochádza buď k lokálnemu narušeniu celistvosti materiálu, alebo k vzniku elektrického oblúka medzi elektródami a povrchom materiálu. V tomto ohľade musí byť sila pracovného poľa vždy menšia ako sila prierazu.
Elektrické vlastnosti materiálu závisia nielen od jeho fyzikálnej podstaty, ale aj od premenných parametrov charakterizujúcich jeho stav — teplota, vlhkosť, tlak atď.
Tieto parametre sa menia počas technologického procesu, čo je potrebné vziať do úvahy pri výpočte dielektrických vykurovacích zariadení. Len správnym zvážením všetkých týchto faktorov pri ich spolupôsobení a zmene je možné zabezpečiť ekonomicky a technologicky výhodné využitie dielektrických vykurovacích zariadení v priemysle.
Vysokofrekvenčný lis na lepidlo je zariadenie, ktoré využíva dielektrický ohrev napríklad na urýchlenie lepenia dreva. Samotné zariadenie je do značnej miery bežný lis na lepidlo. Má však aj špeciálne elektródy na vytváranie vysokofrekvenčného elektrického poľa v lepenej časti. Pole rýchlo (v priebehu niekoľkých desiatok sekúnd) zvýši teplotu produktu, zvyčajne až na 50 — 70 °C. To výrazne urýchľuje schnutie lepidla.
Na rozdiel od vysokofrekvenčného ohrevu je mikrovlnný ohrev dielektrický ohrev s frekvenciou nad 100 MHz a elektromagnetické vlny môžu byť emitované z malého žiariča a nasmerované na objekt cez priestor.
Moderné mikrovlnné rúry využívajú elektromagnetické vlny na oveľa vyšších frekvenciách ako vysokofrekvenčné ohrievače. Typické domáce mikrovlny pracujú v pásme 2,45 GHz, ale existujú aj mikrovlny 915 MHz. To znamená, že vlnová dĺžka rádiových vĺn používaných pri mikrovlnnom ohreve je od 0,1 cm do 10 cm.
V mikrovlnných rúrach dochádza ku generovaniu mikrovlnných oscilácií s magnetrónmi.
Každé dielektrické vykurovacie zariadenie pozostáva z generátora frekvenčného meniča a elektrotermálneho zariadenia — kondenzátora so špeciálne tvarovanými doskami. Pretože dielektrický ohrev vyžaduje vysokú frekvenciu (od stoviek kilohertzov po jednotky megahertzov).
Najdôležitejšou úlohou technológie ohrevu dielektrických materiálov vysokofrekvenčnými prúdmi je zabezpečiť potrebný režim počas celého procesu spracovania.Riešenie tohto problému komplikuje skutočnosť, že elektrické vlastnosti materiálov sa menia počas ohrevu, sušenia resp. v dôsledku iných zmien v stave materiálu. Dôsledkom toho je porušenie tepelného režimu procesu a zmena režimu prevádzky generátora lampy.
Oba faktory zohrávajú významnú úlohu. Preto pri vývoji technológie ohrevu dielektrických materiálov vysokofrekvenčnými prúdmi je potrebné dôkladne študovať vlastnosti spracovávaného materiálu a analyzovať zmenu týchto vlastností počas celého technologického cyklu.
Dielektrická konštanta materiálu závisí od jeho fyzikálnych vlastností, teploty, vlhkosti a parametrov elektrického poľa. Dielektrická konštanta zvyčajne klesá, keď materiál schne a v niektorých prípadoch sa môže meniť až desaťkrát.
Pre väčšinu materiálov je frekvenčná závislosť dielektrickej konštanty menej výrazná a mala by sa brať do úvahy len v niektorých prípadoch. Napríklad pre kožu je táto závislosť významná v nízkofrekvenčnej oblasti, ale so zvyšujúcou sa frekvenciou sa stáva nevýznamnou.
Ako už bolo uvedené, dielektrická konštanta materiálov závisí od zmeny teploty, ktorá vždy sprevádza procesy sušenia a ohrevu.
Tangenta uhla dielektrických strát tiež nezostáva pri spracovaní konštantná, čo má významný vplyv na priebeh technologického procesu, keďže delta tangenta charakterizuje schopnosť materiálu absorbovať energiu striedavého elektrického poľa.
Tangenta uhla dielektrickej straty do značnej miery závisí od obsahu vlhkosti materiálu. Pri niektorých materiáloch sa delta dotyčnice na konci procesu obrábania zmení od pôvodnej hodnoty niekoľko stokrát. Takže napríklad pre priadzu, keď sa vlhkosť zmení zo 70 na 8%, tangenta absorpčného uhla sa zníži 200-krát.
Dôležitou vlastnosťou materiálu je prierazné napätie elektrického poľa povolené týmto materiálom.
Zvýšenie prieraznej sily elektrického poľa obmedzuje možnosť zvýšenia napätia na doskách kondenzátora a tým určuje hornú hranicu výkonu, ktorý je možné inštalovať.
Zvýšenie teploty a vlhkosti materiálu, ako aj frekvencia elektrického poľa vedie k zníženiu sily prierazného poľa.
Aby bol zabezpečený vopred stanovený technologický režim aj pri zmenách elektrických parametrov materiálu počas procesu sušenia, je potrebné upraviť režim prevádzky generátora. Správnou zmenou pracovného režimu generátora je možné dosiahnuť optimálne podmienky počas celého prevádzkového cyklu a dosiahnuť vysokú účinnosť inštalácie.
Konštrukcia pracovného kondenzátora je daná tvarom a veľkosťou ohrievaných častí, vlastnosťami ohrievaného materiálu, charakterom technologického procesu a napokon typom výroby.
V najjednoduchšom prípade pozostáva z dvoch alebo viacerých plochých dosiek, ktoré sú navzájom rovnobežné. Dosky môžu byť horizontálne a vertikálne. Ploché elektródy sa používajú v zariadeniach na sušenie reziva, podvalov, priadzí, lepenie preglejky.
Rovnomernosť výhrevných materiálov závisí od rovnomernosti rozloženia elektrického poľa v celom objeme ošetrovaného objektu.
Prítomnosť nehomogenity v štruktúre materiálu, premenlivá vzduchová medzera medzi elektródou a vonkajším povrchom dielu, prítomnosť vodivých hmôt (držiaky, podpery atď.) v blízkosti elektród vedú k nerovnomernému rozloženiu el. lúka.
Preto sa v praxi používa široká škála konštrukčných možností pre pracovné kondenzátory, z ktorých každý je určený pre určitý technologický proces.
Zariadenia na vykurovanie dielektrikom vo vysokofrekvenčnom elektrickom poli majú relatívne nízku účinnosť pri pomerne vysokých nákladoch na zariadenia zahrnuté v týchto zariadeniach. Preto môže byť použitie takejto metódy opodstatnené až po dôkladnom preštudovaní a porovnaní ekonomických a technologických ukazovateľov rôznych spôsobov vykurovania.
Pre všetky vysokofrekvenčné dielektrické vykurovacie systémy je potrebný frekvenčný menič. Celková účinnosť takýchto meničov je definovaná ako pomer výkonu dodávaného na dosky kondenzátora k výkonu prijímanému z elektrickej siete.
Hodnoty koeficientu užitočnej akcie sú v rozmedzí 0,4 - 0,8. Úroveň účinnosti závisí od zaťaženia frekvenčného meniča. Najvyššia účinnosť meniča sa spravidla dosahuje pri bežnom zaťažení.
Technické a ekonomické ukazovatele dielektrických vykurovacích zariadení výrazne závisia od konštrukcie elektrotepelného zariadenia. Správne zvolená konštrukcia zaisťuje vysokú účinnosť a faktor času stroja.
Pozri tiež:
Dielektrika v elektrickom poli