Fysische basis van methoden voor hoogfrequente verwarming van diëlektrica (diëlektrisch drogen)
Bij industriële technologische processen is het vaak nodig om materialen te verwarmen die behoren tot de groep van diëlektrica en halfgeleiders. Typische vertegenwoordigers van dergelijke materialen zijn verschillende soorten rubber, hout, stoffen, kunststoffen, papier, enz.
Voor elektrische verwarming van dergelijke materialen worden installaties gebruikt die gebruikmaken van het vermogen van diëlektrica en halfgeleiders om vast te lopen wanneer ze worden blootgesteld aan een wisselend elektrisch veld.
Verwarming vindt plaats omdat in dit geval een deel van de energie van het elektrische veld onherstelbaar verloren gaat en in warmte verandert (diëlektrische verwarming).
Vanuit fysisch oogpunt wordt dit fenomeen verklaard door het verbruik van verplaatsingsenergie elektrische ladingen in atomen en moleculen, die wordt veroorzaakt door de werking van een wisselend elektrisch veld.
Vanwege de gelijktijdige verwarming van het volledige volume van het product diëlektrische verwarming speciaal aanbevolen voor toepassingen die een gelijkmatige en zachte droging vereisen.Deze oplossing is het meest geschikt voor het drogen van warmtegevoelige producten in de voedings-, industriële en medische industrie om al hun eigenschappen te behouden.
Het is belangrijk op te merken dat het effect van een elektrisch veld op een diëlektricum of halfgeleider zelfs optreedt als er geen direct elektrisch contact is tussen de elektroden en het materiaal. Het is alleen nodig dat het materiaal zich in het gebied van het elektrische veld bevindt dat tussen de elektroden werkt.
Het gebruik van hoogfrequente elektrische velden om diëlektrica te verwarmen werd in de jaren dertig voorgesteld. In het Amerikaanse octrooischrift 2.147.689 (ingediend bij Bell Telephone Laboratories in 1937) staat bijvoorbeeld: "De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een verwarmingsinrichting voor diëlektrica, en het doel van de onderhavige uitvinding is om dergelijke materialen uniform en nagenoeg gelijktijdig te verwarmen."
Het eenvoudigste diagram van een apparaat voor verwarming met een diëlektricum in de vorm van twee platte elektroden waarop een wisselspanning wordt aangelegd en een verwarmd materiaal dat tussen de elektroden is geplaatst, wordt getoond in de figuur.
Diëlektrisch verwarmingscircuit
Het getoonde diagram is elektrische condensator, waarin het verwarmde materiaal fungeert als een isolator tussen de platen.
De hoeveelheid energie die wordt geabsorbeerd door het materiaal van de actieve vermogenscomponent wordt bepaald en wordt gevonden in de volgende verhouding:
P = USe·I omdatphi = USe2·w C tg delta,
waar UTo — spanning op de platen van de condensator; C is de capaciteit van de condensator; tg delta - diëlektrische verlieshoek.
Injectiedelta (hoek van diëlektrische verliezen) complementaire hoek fi tot 90 ° (fi is de verplaatsingshoek tussen de actieve en reactieve vermogenscomponenten) en aangezien in alle diëlektrische verwarmingsapparaten de hoek bijna 90 ° is, kunnen we aannemen dat de cosinus phi ongeveer gelijk aan tangens delta.
Voor een ideale verliesloze condensator is de hoek fi= 90 °, d.w.z. de stroom- en spanningsvectoren staan onderling loodrecht en de schakeling heeft een zuiver reactief vermogen.
De aanwezigheid van een diëlektrische verlieshoek anders dan nul is een ongewenst fenomeen voor conventionele condensatoren omdat het energieverliezen veroorzaakt.
Bij diëlektrische verwarmingsinstallaties vormen juist deze verliezen een nuttig effect. De werking van dergelijke installaties met verlieshoek delta = 0 is niet mogelijk.
Voor platte parallelle elektroden (platte condensator) kan het vermogen per volume-eenheid van het materiaal tussen de elektroden worden berekend met de formule
Py = 0,555·e daTgdelta,
waarbij f de frequentie is, MHz; Ru — specifiek geabsorbeerd vermogen, W / cm3, e — elektrische veldsterkte, kv / cm; da = e / do is de relatieve diëlektrische constante van het materiaal.
Dit is YDe vergelijking laat zien dat de efficiëntie van diëlektrische verwarming wordt bepaald door:
-
parameters van het door de installatie gegenereerde elektrische veld (e en f);
-
elektrische eigenschappen van materialen (diëlektrische verlies tangens En relatieve diëlektrische constante van het materiaal).
Zoals de analyse van de formule laat zien, neemt het rendement van de installatie toe met toenemende sterkte en frequentie van het elektrische veld. In de praktijk is dit slechts binnen bepaalde grenzen mogelijk.
Bij een frequentie hoger dan 4-5 MHz neemt het elektrisch rendement van de hoogfrequente generator-omvormer sterk af, waardoor het gebruik van hogere frequenties economisch onrendabel blijkt.
De hoogste waarde van de elektrische veldsterkte wordt bepaald door de zogenaamde doorslagveldsterkte voor elk specifiek soort verwerkt materiaal.
Wanneer de sterkte van het doorslagveld wordt bereikt, is er ofwel een lokale schending van de integriteit van het materiaal, ofwel het optreden van een elektrische boog tussen de elektroden en het oppervlak van het materiaal. Daarbij moet de kracht van het werkveld altijd kleiner zijn dan die van de storing.
De elektrische eigenschappen van het materiaal zijn niet alleen afhankelijk van de fysieke aard ervan, maar ook van de variabele parameters die de toestand ervan kenmerken: temperatuur, vochtigheid, druk, enz.
Deze parameters veranderen tijdens het technologische proces, waarmee rekening moet worden gehouden bij het berekenen van diëlektrische verwarmingsapparaten. Alleen met de juiste overweging van al deze factoren in hun interactie en verandering, kan het economisch en technologisch voordelige gebruik van diëlektrische verwarmingsapparaten in de industrie worden gegarandeerd.
Een hoogfrequente lijmpers is een apparaat dat diëlektrische verwarming gebruikt om bijvoorbeeld het verlijmen van hout te versnellen. Het apparaat zelf is eigenlijk een gewone lijmpers. Het heeft echter ook speciale elektroden voor het creëren van een hoogfrequent elektrisch veld in het te verlijmen onderdeel. Het veld verhoogt snel (binnen enkele tientallen seconden) de temperatuur van het product, meestal tot 50 - 70 ° C. Dit versnelt het drogen van de lijm aanzienlijk.
In tegenstelling tot hoogfrequente verwarming, is microgolfverwarming diëlektrische verwarming met een frequentie boven 100 MHz, en kunnen elektromagnetische golven worden uitgezonden door een kleine zender en door de ruimte op een object worden gericht.
Moderne magnetrons gebruiken elektromagnetische golven met veel hogere frequenties dan hoogfrequente verwarmers. Typische thuismicrogolven werken in het 2,45 GHz-bereik, maar er zijn ook 915 MHz-microgolven. Dit betekent dat de golflengte van de radiogolven die worden gebruikt bij microgolfverwarming van 0,1 cm tot 10 cm is.
De generatie van microgolfoscillaties in magnetrons vindt plaats met magnetrons.
Elke diëlektrische verwarmingsinstallatie bestaat uit een generator met frequentieomvormer en een elektrothermisch apparaat - een condensator met speciaal gevormde platen. Omdat diëlektrische verwarming een hoge frequentie vereist (van honderden kilohertz tot eenheden van megahertz).
De belangrijkste taak van de technologie voor het verwarmen van diëlektrische materialen met hoogfrequente stromen is om tijdens het gehele verwerkingsproces voor de noodzakelijke modus te zorgen.De oplossing voor dit probleem wordt bemoeilijkt door het feit dat de elektrische eigenschappen van materialen veranderen tijdens het verwarmen, drogen of als gevolg van andere veranderingen in de staat van het materiaal. Het gevolg hiervan is een schending van het thermische regime van het proces en een verandering in de werkingsmodus van de lampgenerator.
Beide factoren spelen een belangrijke rol. Daarom moeten bij het ontwikkelen van een technologie voor het verwarmen van diëlektrische materialen met hoogfrequente stromen de eigenschappen van het verwerkte materiaal zorgvuldig worden bestudeerd en moet de verandering in deze eigenschappen gedurende de hele technologische cyclus worden geanalyseerd.
De diëlektrische constante van een materiaal hangt af van de fysische eigenschappen, temperatuur, vochtigheid en elektrische veldparameters. De diëlektrische constante neemt gewoonlijk af naarmate het materiaal droogt en kan in sommige gevallen tientallen keren veranderen.
Voor de meeste materialen is de frequentieafhankelijkheid van de diëlektrische constante minder uitgesproken en dient slechts in sommige gevallen rekening te worden gehouden. Voor de huid is deze afhankelijkheid bijvoorbeeld significant in het laagfrequente gebied, maar naarmate de frequentie toeneemt, wordt deze onbeduidend.
Zoals eerder vermeld, hangt de diëlektrische constante van materialen af van de temperatuurverandering die altijd gepaard gaat met droog- en verwarmingsprocessen.
De tangens van de hoek van diëlektrische verliezen blijft ook niet constant tijdens de verwerking, en dit heeft een aanzienlijke invloed op het verloop van het technologische proces, aangezien de deltatangens het vermogen van het materiaal kenmerkt om de energie van een wisselend elektrisch veld te absorberen.
De tangens van de diëlektrische verlieshoek hangt voor een groot deel af van het vochtgehalte van het materiaal. Voor sommige materialen verandert de raaklijndelta aan het einde van het bewerkingsproces enkele honderden keren ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Dus bijvoorbeeld voor garen, wanneer de luchtvochtigheid verandert van 70 naar 8%, neemt de tangens van de absorptiehoek 200 keer af.
Een belangrijke eigenschap van het materiaal is afbraak elektrische veldspanning toegestaan door dit materiaal.
De toename van de doorslagsterkte van het elektrische veld beperkt de mogelijkheid om de spanning op de condensatorplaten te verhogen en bepaalt daarmee de bovengrens van het vermogen dat geïnstalleerd kan worden.
Een toename van de temperatuur en vochtigheid van het materiaal, evenals de frequentie van het elektrische veld, leidt tot een afname van de sterkte van het doorslagveld.
Om een vooraf bepaalde technologische modus te garanderen, zelfs met veranderingen in de elektrische parameters van het materiaal tijdens het droogproces, is het noodzakelijk om de bedrijfsmodus van de generator aan te passen. Met de juiste verandering in de bedrijfsmodus van de generator is het mogelijk om gedurende de gehele bedrijfscyclus optimale omstandigheden te bereiken en een hoog rendement van de installatie te bereiken.
Het ontwerp van de werkende condensor wordt bepaald door de vorm en grootte van de verwarmde onderdelen, de eigenschappen van het verwarmde materiaal, de aard van het technologische proces en ten slotte het type productie.
In het eenvoudigste geval bestaat het uit twee of meer vlakke platen evenwijdig aan elkaar. Platen kunnen horizontaal en verticaal zijn. Platte elektroden worden gebruikt in installaties voor het drogen van gezaagd hout, dwarsliggers, garens, verlijmen van multiplex.
De uniformiteit van de verwarmingsmaterialen hangt af van de uniformiteit van de verdeling van het elektrische veld over het gehele volume van het behandelde object.
De aanwezigheid van inhomogeniteit in de structuur van het materiaal, een variabele luchtspleet tussen de elektrode en het buitenoppervlak van het onderdeel, de aanwezigheid van geleidende massa's (houders, steunen, enz.) In de buurt van de elektroden leiden tot een ongelijke verdeling van de elektrische veld.
Daarom wordt in de praktijk een breed scala aan ontwerpopties voor werkende condensatoren gebruikt, die elk zijn ontworpen voor een bepaald technologisch proces.
Installaties voor verwarming met een diëlektricum in een hoogfrequent elektrisch veld hebben een relatief laag rendement tegen vrij hoge kosten van de apparatuur die in deze installaties is opgenomen. Daarom kan het gebruik van een dergelijke methode alleen worden gerechtvaardigd na een grondige studie en vergelijking van de economische en technologische indicatoren van verschillende verwarmingsmethoden.
Voor alle hoogfrequente diëlektrische verwarmingssystemen is een frequentieomvormer vereist. Het algehele rendement van dergelijke omvormers wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het vermogen dat wordt geleverd aan de condensatorplaten en het vermogen dat wordt ontvangen van het elektriciteitsnet.
Waarden van de nuttige actiecoëfficiënt liggen in het bereik van 0,4 - 0,8. De mate van efficiëntie is afhankelijk van de belasting van de frequentieomvormer. In de regel wordt het hoogste rendement van de omvormer bereikt wanneer deze normaal belast is.
De technische en economische indicatoren van diëlektrische verwarmingsinstallaties zijn in grote mate afhankelijk van het ontwerp van het elektrothermische apparaat. Een goed geselecteerd ontwerp van de laatste zorgt voor een hoge efficiëntie en machinetijdfactor.
Zie ook:
Diëlektrica in een elektrisch veld