Asas fizikal kaedah untuk pemanasan frekuensi tinggi dielektrik (pengeringan dielektrik)
Dalam proses teknologi perindustrian, selalunya perlu untuk memanaskan bahan yang tergolong dalam kumpulan dielektrik dan semikonduktor. Wakil biasa bahan tersebut adalah pelbagai jenis getah, kayu, kain, plastik, kertas, dll.
Untuk pemanasan elektrik bahan tersebut, pemasangan digunakan yang menggunakan keupayaan dielektrik dan semikonduktor untuk menangkap apabila terdedah kepada medan elektrik berselang-seli.
Pemanasan berlaku kerana dalam kes ini sebahagian daripada tenaga medan elektrik hilang tidak dapat dipulihkan, bertukar menjadi haba (pemanasan dielektrik).
Dari sudut fizikal, fenomena ini dijelaskan oleh penggunaan tenaga sesaran cas elektrik dalam atom dan molekul, yang disebabkan oleh tindakan medan elektrik berselang-seli.
Disebabkan oleh pemanasan serentak seluruh isipadu produk pemanasan dielektrik terutamanya disyorkan untuk aplikasi yang memerlukan pengeringan sekata dan lembut.Penyelesaian ini paling sesuai untuk mengeringkan produk sensitif haba dalam industri makanan, perindustrian dan perubatan untuk memelihara semua sifatnya.
Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa kesan medan elektrik pada dielektrik atau semikonduktor berlaku walaupun tanpa adanya sentuhan elektrik langsung antara elektrod dan bahan. Ia hanya perlu bahawa bahan berada di kawasan medan elektrik yang bertindak antara elektrod.
Penggunaan medan elektrik frekuensi tinggi untuk memanaskan dielektrik telah dicadangkan pada tahun 1930-an. Sebagai contoh, Paten AS 2,147,689 (difailkan kepada Bell Telephone Laboratories pada tahun 1937) menyatakan: "Penciptaan ini berkaitan dengan peranti pemanasan untuk dielektrik, dan objek ciptaan ini adalah untuk memanaskan bahan tersebut secara seragam dan secara substansial serentak."
Gambar rajah termudah bagi peranti untuk pemanasan dengan dielektrik dalam bentuk dua elektrod rata yang mana voltan berselang-seli digunakan dan bahan yang dipanaskan diletakkan di antara elektrod ditunjukkan dalam rajah.
Litar pemanasan dielektrik
Rajah yang ditunjukkan ialah kapasitor elektrik, di mana bahan yang dipanaskan bertindak sebagai penebat antara plat.
Jumlah tenaga yang diserap oleh bahan komponen kuasa aktif ditentukan dan didapati dalam nisbah berikut:
P = USe·I becausephi = USe2·w C tg delta,
di mana UTo — voltan pada plat kapasitor; C ialah kemuatan kapasitor; tg delta - sudut kehilangan dielektrik.
Delta suntikan (sudut kehilangan dielektrik) sudut pelengkap fi hingga 90 ° (fi ialah sudut anjakan antara komponen kuasa aktif dan reaktif) dan kerana dalam semua peranti pemanasan dielektrik sudutnya hampir 90 °, kita boleh mengandaikan bahawa kosinus phi lebih kurang sama dengan delta tangen.
Untuk kapasitor tanpa kehilangan yang ideal, sudut fi= 90 °, iaitu vektor arus dan voltan adalah saling berserenjang dan litar mempunyai kuasa reaktif.
Kehadiran sudut kehilangan dielektrik selain sifar adalah fenomena yang tidak diingini untuk kapasitor konvensional kerana ia menyebabkan kehilangan tenaga.
Dalam pemasangan pemanasan dielektrik, kerugian inilah yang mewakili kesan yang berguna. Pengendalian pemasangan sedemikian dengan delta sudut kehilangan = 0 tidak mungkin.
Untuk elektrod selari rata (kapasitor rata), kuasa per unit isipadu bahan antara elektrod boleh dikira dengan formula
Py = 0.555·e daTgdelta,
di mana f ialah kekerapan, MHz; Ru — kuasa serapan khusus, W / cm3, e — kekuatan medan elektrik, kv / cm; da = e / do ialah pemalar dielektrik relatif bahan.
Ini adalah YPerbandingan menunjukkan bahawa kecekapan pemanasan dielektrik ditentukan oleh:
-
parameter medan elektrik yang dihasilkan oleh pemasangan (e dan f);
-
sifat elektrik bahan (tangen kehilangan dielektrik dan pemalar dielektrik relatif bahan).
Seperti yang ditunjukkan oleh analisis formula, kecekapan pemasangan meningkat dengan peningkatan kekuatan dan kekerapan medan elektrik. Dalam amalan, ini hanya boleh dilakukan dalam had tertentu.
Pada frekuensi yang lebih tinggi daripada 4-5 MHz, kecekapan elektrik penukar penjana frekuensi tinggi berkurangan dengan mendadak, jadi penggunaan frekuensi yang lebih tinggi ternyata tidak menguntungkan dari segi ekonomi.
Nilai tertinggi kekuatan medan elektrik ditentukan oleh apa yang dipanggil kekuatan medan pecahan untuk setiap jenis bahan yang diproses.
Apabila kekuatan medan pecahan dicapai, terdapat sama ada pelanggaran tempatan terhadap integriti bahan, atau berlakunya arka elektrik antara elektrod dan permukaan bahan. Dalam hal ini, kekuatan medan kerja mestilah sentiasa kurang daripada pecahan.
Sifat elektrik bahan bergantung bukan sahaja pada sifat fizikalnya, tetapi juga pada parameter pembolehubah yang mencirikan keadaannya - suhu, kelembapan, tekanan, dll.
Parameter ini berubah semasa proses teknologi, yang mesti diambil kira apabila mengira peranti pemanasan dielektrik. Hanya dengan pertimbangan yang betul bagi semua faktor ini dalam interaksi dan perubahannya, penggunaan peranti pemanasan dielektrik yang berfaedah dari segi ekonomi dan teknologi dalam industri dapat dipastikan.
Penekan gam frekuensi tinggi ialah peranti yang menggunakan pemanasan dielektrik, sebagai contoh, untuk mempercepatkan pelekatan kayu. Peranti itu sendiri adalah penekan gam biasa. Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai elektrod khas untuk mencipta medan elektrik frekuensi tinggi di bahagian yang akan dilekatkan. Medan dengan cepat (dalam beberapa puluh saat) menaikkan suhu produk, biasanya sehingga 50 — 70 ° C. Ini mempercepatkan pengeringan gam dengan ketara.
Tidak seperti pemanasan frekuensi tinggi, pemanasan gelombang mikro ialah pemanasan dielektrik dengan frekuensi melebihi 100 MHz, dan gelombang elektromagnet boleh dipancarkan daripada pemancar kecil dan diarahkan pada objek melalui ruang angkasa.
Ketuhar gelombang mikro moden menggunakan gelombang elektromagnet pada frekuensi yang lebih tinggi daripada pemanas frekuensi tinggi. Microwave rumah biasa beroperasi dalam julat 2.45 GHz, tetapi terdapat juga gelombang mikro 915 MHz. Ini bermakna panjang gelombang gelombang radio yang digunakan dalam pemanasan gelombang mikro adalah dari 0.1 cm hingga 10 cm.
Penjanaan ayunan gelombang mikro dalam ketuhar gelombang mikro berlaku dengan magnetron.
Setiap pemasangan pemanasan dielektrik terdiri daripada penjana penukar frekuensi dan peranti elektroterma — kapasitor dengan plat berbentuk khas. Kerana pemanasan dielektrik memerlukan frekuensi tinggi (dari ratusan kilohertz kepada unit megahertz).
Tugas terpenting teknologi untuk memanaskan bahan dielektrik dengan arus frekuensi tinggi adalah untuk memastikan mod yang diperlukan semasa keseluruhan proses pemprosesan. Penyelesaian masalah ini adalah rumit oleh fakta bahawa sifat elektrik bahan berubah semasa pemanasan, pengeringan atau akibat perubahan lain dalam keadaan bahan. Akibatnya adalah pelanggaran rejim terma proses dan perubahan dalam mod operasi penjana lampu.
Kedua-dua faktor memainkan peranan penting. Oleh itu, apabila membangunkan teknologi untuk memanaskan bahan dielektrik dengan arus frekuensi tinggi, sifat bahan yang diproses mesti dikaji dengan teliti dan perubahan sifat ini mesti dianalisis sepanjang kitaran teknologi.
Pemalar dielektrik bahan bergantung kepada sifat fizikal, suhu, kelembapan dan parameter medan elektrik. Pemalar dielektrik biasanya berkurangan apabila bahan kering dan dalam beberapa kes boleh berubah berpuluh kali ganda.
Bagi kebanyakan bahan, pergantungan frekuensi pemalar dielektrik kurang ketara dan perlu diambil kira hanya dalam beberapa kes. Untuk kulit, sebagai contoh, pergantungan ini ketara di rantau frekuensi rendah, tetapi apabila kekerapan meningkat, ia menjadi tidak ketara.
Seperti yang telah disebutkan, pemalar dielektrik bahan bergantung kepada perubahan suhu yang sentiasa mengiringi proses pengeringan dan pemanasan.
Tangen sudut kehilangan dielektrik juga tidak kekal semasa pemprosesan, dan ini mempunyai kesan yang ketara ke atas perjalanan proses teknologi, kerana tangen delta mencirikan keupayaan bahan untuk menyerap tenaga medan elektrik berselang-seli.
Pada tahap yang besar, tangen sudut kehilangan dielektrik bergantung pada kandungan lembapan bahan. Bagi sesetengah bahan, delta tangen berubah beberapa ratus kali daripada nilai awalnya menjelang akhir proses pemesinan. Jadi, sebagai contoh, untuk benang, apabila kelembapan berubah dari 70 hingga 8%, tangen sudut penyerapan berkurangan 200 kali.
Ciri penting bahan ialah pecahan tekanan medan elektrik dibenarkan oleh bahan ini.
Peningkatan dalam kekuatan pecahan medan elektrik mengehadkan kemungkinan meningkatkan voltan pada plat kapasitor dan dengan itu menentukan had atas kuasa yang boleh dipasang.
Peningkatan suhu dan kelembapan bahan, serta kekerapan medan elektrik, membawa kepada penurunan kekuatan medan pecahan.
Untuk memastikan mod teknologi yang telah ditetapkan walaupun dengan perubahan dalam parameter elektrik bahan semasa proses pengeringan, adalah perlu untuk menyesuaikan mod operasi penjana. Dengan perubahan yang betul dalam mod operasi penjana, adalah mungkin untuk mencapai keadaan optimum semasa keseluruhan kitaran operasi dan mencapai kecekapan tinggi pemasangan.
Reka bentuk pemeluwap kerja ditentukan oleh bentuk dan saiz bahagian yang dipanaskan, sifat bahan yang dipanaskan, sifat proses teknologi dan, akhirnya, jenis pengeluaran.
Dalam kes paling mudah, ia terdiri daripada dua atau lebih plat rata selari antara satu sama lain. Plat boleh mendatar dan menegak. Elektrod rata digunakan dalam pemasangan untuk mengeringkan kayu gergaji, tidur, benang, melekatkan papan lapis.
Keseragaman bahan pemanasan bergantung kepada keseragaman pengagihan medan elektrik sepanjang keseluruhan isipadu objek yang dirawat.
Kehadiran ketidakhomogenan dalam struktur bahan, jurang udara berubah-ubah antara elektrod dan permukaan luar bahagian, kehadiran jisim konduktif (pemegang, penyokong, dll.) berhampiran elektrod membawa kepada pengagihan elektrik yang tidak sekata. padang.
Oleh itu, dalam praktiknya, pelbagai pilihan reka bentuk untuk kapasitor berfungsi digunakan, setiap satunya direka untuk proses teknologi tertentu.
Pemasangan untuk pemanasan dengan dielektrik dalam medan elektrik frekuensi tinggi mempunyai kecekapan yang agak rendah pada kos peralatan yang agak tinggi yang termasuk dalam pemasangan ini. Oleh itu, penggunaan kaedah sedemikian boleh dibenarkan hanya selepas kajian menyeluruh dan perbandingan penunjuk ekonomi dan teknologi kaedah pemanasan yang berbeza.
Penukar frekuensi diperlukan untuk semua sistem pemanasan dielektrik frekuensi tinggi. Kecekapan keseluruhan penukar tersebut ditakrifkan sebagai nisbah kuasa yang dibekalkan kepada plat kapasitor kepada kuasa yang diterima daripada grid kuasa.
Nilai pekali tindakan berguna berada dalam julat 0.4 - 0.8. Jumlah kecekapan bergantung pada beban pada penukar frekuensi. Sebagai peraturan, kecekapan tertinggi penukar dicapai apabila ia biasanya dimuatkan.
Penunjuk teknikal dan ekonomi pemasangan pemanasan dielektrik sangat bergantung pada reka bentuk peranti elektroterma. Reka bentuk yang dipilih dengan betul memastikan kecekapan tinggi dan faktor masa mesin.
Lihat juga:
Dielektrik dalam medan elektrik