Eristeiden suurtaajuuskuumennusmenetelmien fyysinen perusta (dielektrinen kuivaus)
Teollisissa teknologisissa prosesseissa on usein tarpeen lämmittää eristeiden ja puolijohteiden ryhmään kuuluvia materiaaleja. Tällaisten materiaalien tyypillisiä edustajia ovat erilaiset kumi, puu, kankaat, muovit, paperi jne.
Tällaisten materiaalien sähkölämmitykseen käytetään asennuksia, jotka käyttävät eristeiden ja puolijohteiden kykyä tarttua, kun ne altistetaan vaihtuvalle sähkökentälle.
Lämpeneminen tapahtuu, koska tässä tapauksessa osa sähkökentän energiasta menetetään peruuttamattomasti muuttuen lämmöksi (dielektrinen lämmitys).
Fysikaalisesta näkökulmasta tämä ilmiö selittyy syrjäytysenergian kulutuksella sähkömaksut atomeissa ja molekyyleissä, mikä johtuu vaihtuvan sähkökentän vaikutuksesta.
Johtuen tuotteen koko tilavuuden samanaikaisesta lämmittämisestä dielektrinen lämmitys suositellaan erityisesti tasaista ja hellävaraista kuivumista vaativiin sovelluksiin.Tämä ratkaisu soveltuu parhaiten lämpöherkkien tuotteiden kuivaamiseen elintarvike-, teollisuus- ja lääketeollisuudessa niiden kaikkien ominaisuuksien säilyttämiseksi.
On tärkeää huomata, että sähkökentän vaikutus eristeeseen tai puolijohteeseen tapahtuu myös silloin, kun elektrodien ja materiaalin välillä ei ole suoraa sähköistä kosketusta. On vain välttämätöntä, että materiaali on elektrodien välissä vaikuttavan sähkökentän alueella.
Suurtaajuisten sähkökenttien käyttöä dielektristen aineiden lämmittämiseen ehdotettiin 1930-luvulla. Esimerkiksi US-patentissa 2 147 689 (jätetty Bell Telephone Laboratoriesille vuonna 1937) todetaan: "Esillä oleva keksintö koskee lämmityslaitetta eristettä varten, ja esillä olevan keksinnön tarkoituksena on lämmittää tällaisia materiaaleja tasaisesti ja olennaisesti samanaikaisesti."
Yksinkertaisin kaavio laitteesta, joka on tarkoitettu lämmitykseen eristeellä kahden litteän elektrodin muodossa, joihin syötetään vaihtojännite ja elektrodien väliin asetettu lämmitetty materiaali, on esitetty kuvassa.
Dielektrinen lämmityspiiri
Esitetty kaavio on sähköinen kondensaattori, jossa kuumennettu materiaali toimii eristeenä levyjen välissä.
Tehokomponentin materiaalin absorboima energiamäärä määritetään ja se saadaan seuraavasta suhteesta:
P = USe·I, koskaphi = USe2·w C tg delta,
missä UTo — kondensaattorin levyjen jännite; C on kondensaattorin kapasitanssi; tg delta — dielektrinen häviökulma.
Ruiskutusdelta (dielektristen häviöiden kulma) komplementaarinen kulma fi 90° asti (fi on pätö- ja loistehokomponenttien välinen siirtymäkulma) ja koska kaikissa dielektrisissä lämmityslaitteissa kulma on lähellä 90°, voidaan olettaa, että kosini phi suunnilleen sama kuin tangentin delta.
Ihanteelliselle häviöttömälle kondensaattorille kulma fi= 90°, eli virta- ja jännitevektorit ovat keskenään kohtisuorassa ja piirissä on puhtaasti loisteho.
Muun kuin nollan dielektrisen häviökulman olemassaolo on ei-toivottu ilmiö tavanomaisille kondensaattoreille, koska se aiheuttaa energiahäviöitä.
Dielektrisissä lämmitysasennuksissa juuri nämä häviöt edustavat hyödyllistä vaikutusta. Tällaisten laitteistojen käyttö, joiden häviökulman delta = 0, ei ole mahdollista.
Litteille rinnakkaiselektrodeille (litteä kondensaattori) elektrodien välisen materiaalin teho tilavuusyksikköä kohti voidaan laskea kaavalla
Py = 0,555·e daTgdelta,
jossa f on taajuus MHz; Ru - ominaisabsorboitunut teho, W / cm3, e - sähkökentän voimakkuus, kv / cm; da = e / do on materiaalin suhteellinen dielektrisyysvakio.
Tämä on YVertailu osoittaa, että dielektrisen lämmityksen hyötysuhde määräytyy:
-
laitoksen tuottaman sähkökentän parametrit (e ja f);
-
materiaalien sähköiset ominaisuudet (dielektrisen häviön tangentti ja materiaalin suhteellinen dielektrisyysvakio).
Kuten kaavan analyysi osoittaa, asennuksen tehokkuus kasvaa sähkökentän voimakkuuden ja taajuuden kasvaessa. Käytännössä tämä on mahdollista vain tietyissä rajoissa.
Yli 4-5 MHz:n taajuudella suurtaajuisen generaattori-muuntimen sähköinen hyötysuhde laskee jyrkästi, joten korkeampien taajuuksien käyttö osoittautuu taloudellisesti kannattamattomaksi.
Sähkökentän voimakkuuden korkein arvo määräytyy ns. läpilyöntikentän voimakkuuden perusteella kullekin tietylle käsitellylle materiaalityypille.
Kun läpilyöntikentän voimakkuus saavutetaan, tapahtuu joko paikallinen materiaalin eheyden loukkaus tai sähkökaaren esiintyminen elektrodien ja materiaalin pinnan välillä. Tässä suhteessa työkentän voimakkuuden tulee aina olla pienempi kuin rikkoontuminen.
Materiaalin sähköiset ominaisuudet eivät riipu pelkästään sen fysikaalisesta luonteesta, vaan myös sen tilaa kuvaavista muuttuvista parametreista - lämpötilasta, kosteudesta, paineesta jne.
Nämä parametrit muuttuvat teknologisen prosessin aikana, mikä on otettava huomioon dielektrisiä lämmityslaitteita laskettaessa. Vain ottamalla kaikki nämä tekijät oikein huomioon niiden vuorovaikutuksessa ja muutoksissa voidaan varmistaa dielektristen lämmityslaitteiden taloudellisesti ja teknisesti edullinen käyttö teollisuudessa.
Korkeataajuinen liimapuristin on laite, joka käyttää dielektristä kuumennusta esimerkiksi nopeuttamaan puun liimaamista. Itse laite on melko tavallinen liimapuristin. Siinä on kuitenkin myös erikoiselektrodit suurtaajuisen sähkökentän luomiseksi liimattavaan osaan. Kenttä nostaa nopeasti (muutamassa kymmenessä sekunnissa) tuotteen lämpötilaa, yleensä jopa 50 - 70 °C. Tämä nopeuttaa liiman kuivumista merkittävästi.
Toisin kuin korkeataajuinen lämmitys, mikroaaltolämmitys on dielektristä lämmitystä, jonka taajuus on yli 100 MHz, ja sähkömagneettisia aaltoja voidaan lähettää pienestä emitteristä ja suunnata esineeseen avaruuden läpi.
Nykyaikaiset mikroaaltouunit käyttävät sähkömagneettisia aaltoja paljon korkeammilla taajuuksilla kuin korkeataajuiset lämmittimet. Tyypilliset kotimikroaallot toimivat 2,45 GHz:n alueella, mutta on myös 915 MHz mikroaaltoja. Tämä tarkoittaa, että mikroaaltolämmityksessä käytettävien radioaaltojen aallonpituus on 0,1 cm - 10 cm.
Mikroaaltovärähtelyjä syntyy mikroaaltouuneissa magnetronien kanssa.
Jokainen dielektrinen lämmityslaitteisto koostuu taajuusmuuttajageneraattorista ja sähkötermisestä laitteesta – kondensaattorista, jossa on erikoismuotoiltu levy. Koska dielektrinen lämmitys vaatii korkean taajuuden (sadoista kilohertseistä megahertsien yksikköihin).
Dielektristen materiaalien suurtaajuisilla virroilla lämmittämisen tekniikan tärkein tehtävä on varmistaa tarvittava tila koko käsittelyprosessin ajan.Tämän ongelman ratkaisua vaikeuttaa se, että materiaalien sähköiset ominaisuudet muuttuvat kuumennettaessa, kuivattaessa tai materiaalin tilan muiden muutosten seurauksena. Tämän seurauksena on prosessin lämpöjärjestelmän rikkominen ja lamppugeneraattorin toimintatavan muutos.
Molemmilla tekijöillä on merkittävä rooli. Siksi kehitettäessä teknologiaa dielektristen materiaalien lämmittämiseksi suurtaajuisilla virroilla on käsiteltävän materiaalin ominaisuuksia tutkittava huolellisesti ja näiden ominaisuuksien muutosta on analysoitava koko teknologian syklin ajan.
Materiaalin dielektrisyysvakio riippuu sen fysikaalisista ominaisuuksista, lämpötilasta, kosteudesta ja sähkökentän parametreista. Dielektrisyysvakio yleensä pienenee materiaalin kuivuessa ja voi joissain tapauksissa muuttua kymmeniä kertoja.
Useimmissa materiaaleissa dielektrisyysvakion taajuusriippuvuus on vähemmän selvä ja se tulisi ottaa huomioon vain joissakin tapauksissa. Esimerkiksi iholle tämä riippuvuus on merkittävä matalien taajuuksien alueella, mutta taajuuden kasvaessa se muuttuu merkityksettömäksi.
Kuten jo mainittiin, materiaalien dielektrisyysvakio riippuu lämpötilan muutoksesta, joka aina liittyy kuivaus- ja kuumennusprosesseihin.
Dielektristen häviöiden kulman tangentti ei myöskään pysy vakiona käsittelyn aikana, ja tällä on merkittävä vaikutus teknologisen prosessin kulkuun, koska delta-tangentti kuvaa materiaalin kykyä absorboida vaihtuvan sähkökentän energiaa.
Dielektrisen häviökulman tangentti riippuu suurelta osin materiaalin kosteuspitoisuudesta. Joidenkin materiaalien tangentin delta muuttuu useita satoja kertoja alkuperäisestä arvostaan koneistusprosessin loppuun mennessä. Joten esimerkiksi langalle, kun kosteus muuttuu 70: stä 8%, absorptiokulman tangentti pienenee 200 kertaa.
Materiaalin tärkeä ominaisuus on rikkoutuessa sähkökentän jännitys tämän materiaalin sallima.
Sähkökentän läpilyöntivoimakkuuden kasvu rajoittaa mahdollisuutta lisätä jännitettä kondensaattorilevyillä ja määrittää siten asennettavan tehon ylärajan.
Materiaalin lämpötilan ja kosteuden sekä sähkökentän taajuuden nousu johtaa läpilyöntikentän voimakkuuden heikkenemiseen.
Jotta varmistetaan ennalta määrätty teknologinen tila, vaikka materiaalin sähköiset parametrit muuttuvat kuivausprosessin aikana, on tarpeen säätää generaattorin toimintatilaa. Generaattorin käyttötavan oikealla muutoksella on mahdollista saavuttaa optimaaliset olosuhteet koko käyttöjakson ajan ja saavuttaa asennuksen korkea hyötysuhde.
Työskentelylauhduttimen suunnittelu määräytyy lämmitettävien osien muodon ja koon, lämmitettävän materiaalin ominaisuuksien, teknologisen prosessin luonteen ja lopuksi tuotantotyypin mukaan.
Yksinkertaisimmassa tapauksessa se koostuu kahdesta tai useammasta tasaisesta levystä, joka on yhdensuuntainen toistensa kanssa. Levyt voivat olla vaaka- ja pystysuuntaisia. Tasaisia elektrodeja käytetään asennuksissa sahatavaran, ratapölkkyjen, lankojen ja vanerin liimaamiseen.
Lämmitysmateriaalien tasaisuus riippuu sähkökentän jakautumisen tasaisuudesta käsitellyn kohteen koko tilavuudessa.
Epähomogeenisuus materiaalin rakenteessa, muuttuva ilmarako elektrodin ja osan ulkopinnan välillä, johtavien massojen (pitimet, tuet jne.) läsnäolo elektrodien lähellä johtavat sähkön epätasaiseen jakautumiseen. ala.
Siksi käytännössä käytetään monenlaisia työkondensaattoreiden suunnitteluvaihtoehtoja, joista jokainen on suunniteltu tiettyä teknistä prosessia varten.
Suurtaajuisessa sähkökentässä dielektrillä lämmitettävillä laitteistoilla on suhteellisen alhainen hyötysuhde näihin asennuksiin sisältyvien laitteiden melko korkeilla kustannuksilla. Siksi tällaisen menetelmän käyttö voi olla perusteltua vasta perusteellisen tutkimuksen ja eri lämmitysmenetelmien taloudellisten ja teknisten indikaattoreiden vertailun jälkeen.
Taajuusmuuttaja tarvitaan kaikkiin suurtaajuisiin dielektrisiin lämmitysjärjestelmiin. Tällaisten muuntimien kokonaishyötysuhde määritellään kondensaattorilevyille syötetyn tehon suhteeksi sähköverkosta saatuun tehoon.
Hyödyllisen toimintakertoimen arvot ovat välillä 0,4 - 0,8. Tehokkuus riippuu taajuusmuuttajan kuormituksesta. Pääsääntöisesti muuntimen suurin hyötysuhde saavutetaan, kun se on normaalisti kuormitettu.
Dielektristen lämmitysjärjestelmien tekniset ja taloudelliset indikaattorit riippuvat merkittävästi sähkötermisen laitteen suunnittelusta. Viimeksi mainitun oikein valittu muotoilu varmistaa korkean hyötysuhteen ja koneen aikakertoimen.
Katso myös: