Dielektriķu augstfrekvences sildīšanas metožu fiziskais pamats (dielektriskā žāvēšana)
Rūpnieciskajos tehnoloģiskajos procesos bieži vien ir nepieciešams sildīt materiālus, kas pieder pie dielektriķu un pusvadītāju grupas. Tipiski šādu materiālu pārstāvji ir dažāda veida gumija, koks, audumi, plastmasa, papīrs u.c.
Šādu materiālu elektriskajai apkurei tiek izmantotas instalācijas, kurās tiek izmantota dielektriķu un pusvadītāju spēja satvert, pakļaujot to mainīga elektriskā lauka iedarbībai.
Sildīšana notiek tāpēc, ka šajā gadījumā daļa elektriskā lauka enerģijas tiek neatgriezeniski zaudēta, pārvēršoties siltumā (dielektriskā apkure).
No fiziskā viedokļa šī parādība ir izskaidrojama ar pārvietošanas enerģijas patēriņu elektriskie lādiņi atomos un molekulās, ko izraisa mainīga elektriskā lauka darbība.
Sakarā ar visa produkta tilpuma vienlaicīgu sildīšanu dielektriskā apkure īpaši ieteicama lietojumiem, kuriem nepieciešama vienmērīga un maiga žāvēšana.Šis risinājums ir vislabāk piemērots karstumjutīgu produktu žāvēšanai pārtikas, rūpniecības un medicīnas nozarēs, lai saglabātu visas to īpašības.
Ir svarīgi atzīmēt, ka elektriskā lauka ietekme uz dielektriķi vai pusvadītāju notiek pat tad, ja starp elektrodiem un materiālu nav tieša elektriskā kontakta. Ir nepieciešams tikai, lai materiāls atrastos elektriskā lauka zonā, kas darbojas starp elektrodiem.
Augstas frekvences elektrisko lauku izmantošana dielektriķu sildīšanai tika ierosināta pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados. Piemēram, ASV patentā 2 147 689 (iesniegts Bell Telephone Laboratories 1937. gadā) ir teikts: "Šis izgudrojums attiecas uz dielektriķu sildīšanas ierīci, un šī izgudrojuma mērķis ir vienmērīgi un praktiski vienlaicīgi sildīt šādus materiālus."
Vienkāršākā diagramma ierīcei karsēšanai ar dielektriķi divu plakanu elektrodu veidā, kuriem tiek pielikts maiņspriegums un starp elektrodiem novietots apsildāms materiāls, ir parādīta attēlā.
Dielektriskā apkures loks
Parādītā diagramma ir elektriskais kondensators, kurā apsildāmais materiāls darbojas kā izolators starp plāksnēm.
Enerģijas daudzumu, ko absorbē aktīvās jaudas komponenta materiāls, nosaka un nosaka šādā proporcijā:
P = USe·I, jophi = USe2·w C tg delta,
kur UTo — spriegums uz kondensatora plāksnēm; C ir kondensatora kapacitāte; tg delta — dielektriskā zuduma leņķis.
Iesmidzināšanas delta (dielektrisko zudumu leņķis) komplementārais leņķis fi līdz 90° (fi ir nobīdes leņķis starp aktīvās un reaktīvās jaudas komponentiem) un tā kā visās dielektriskās sildīšanas ierīcēs leņķis ir tuvu 90°, varam pieņemt, ka kosinuss phi aptuveni vienāds ar pieskares delta.
Ideālam kondensatoram bez zudumiem leņķis fi = 90°, t.i., strāvas un sprieguma vektori ir savstarpēji perpendikulāri un ķēdei ir tikai reaktīvā jauda.
Dielektriskā zuduma leņķa klātbūtne, kas atšķiras no nulles, ir nevēlama parādība parastajiem kondensatoriem, jo tas izraisa enerģijas zudumus.
Dielektriskās apkures iekārtās tieši šie zudumi ir noderīgs efekts. Šādu iekārtu darbība ar zuduma leņķi delta = 0 nav iespējama.
Plakaniem paralēliem elektrodiem (plakaniem kondensatoriem) jaudu uz materiāla tilpuma vienību starp elektrodiem var aprēķināt pēc formulas
Py = 0,555·e daTgdelta,
kur f ir frekvence, MHz; Ru — īpatnējā absorbētā jauda, W / cm3, e — elektriskā lauka stiprums, kv / cm; da = e / do ir materiāla relatīvā dielektriskā konstante.
Tas ir YSalīdzinājums parāda, ka dielektriskās apkures efektivitāti nosaka:
-
iekārtas radītā elektriskā lauka parametri (e un f);
-
materiālu elektriskās īpašības (dielektrisko zudumu tangenss un materiāla relatīvā dielektriskā konstante).
Kā liecina formulas analīze, instalācijas efektivitāte palielinās, palielinoties elektriskā lauka stiprumam un frekvencei. Praksē tas ir iespējams tikai noteiktās robežās.
Pie frekvences, kas lielāka par 4-5 MHz, augstfrekvences ģeneratora-pārveidotāja elektriskā efektivitāte strauji samazinās, tāpēc augstāku frekvenču izmantošana izrādās ekonomiski neizdevīga.
Elektriskā lauka intensitātes augstāko vērtību nosaka tā sauktais pārrāvuma lauka stiprums katram konkrētam apstrādātā materiāla veidam.
Kad tiek sasniegts sabrukšanas lauka stiprums, notiek vai nu lokāls materiāla integritātes pārkāpums, vai arī elektriskā loka rašanās starp elektrodiem un materiāla virsmu. Šajā sakarā darba lauka stiprumam vienmēr jābūt mazākam par sabrukuma stiprumu.
Materiāla elektriskās īpašības ir atkarīgas ne tikai no tā fizikālā rakstura, bet arī no mainīgajiem tā stāvokli raksturojošiem parametriem — temperatūras, mitruma, spiediena utt.
Šie parametri tehnoloģiskā procesa gaitā mainās, kas jāņem vērā, aprēķinot dielektriskās sildīšanas ierīces. Tikai pareizi ņemot vērā visus šos faktorus to mijiedarbībā un maiņā, var nodrošināt ekonomiski un tehnoloģiski izdevīgu dielektrisko sildīšanas ierīču izmantošanu rūpniecībā.
Augstfrekvences līmes prese ir ierīce, kas izmanto dielektrisko sildīšanu, piemēram, lai paātrinātu koksnes līmēšanu. Pati ierīce ir gandrīz parasta līmes prese. Taču tam ir arī speciāli elektrodi augstfrekvences elektriskā lauka radīšanai līmējamajā daļā. Lauks ātri (dažu desmitu sekunžu laikā) paaugstina produkta temperatūru, parasti līdz 50 - 70 ° C. Tas ievērojami paātrina līmes žūšanu.
Atšķirībā no augstfrekvences sildīšanas, mikroviļņu sildīšana ir dielektriska sildīšana ar frekvenci virs 100 MHz, un elektromagnētiskos viļņus var izstarot no neliela emitētāja un novirzīt uz objektu caur telpu.
Mūsdienu mikroviļņu krāsnis izmanto elektromagnētiskos viļņus daudz augstākās frekvencēs nekā augstas frekvences sildītāji. Tipiskas mājas mikroviļņu krāsnis darbojas 2,45 GHz diapazonā, taču ir arī 915 MHz mikroviļņi. Tas nozīmē, ka mikroviļņu karsēšanā izmantoto radioviļņu viļņa garums ir no 0,1 cm līdz 10 cm.
Mikroviļņu krāsnīs notiek mikroviļņu svārstību ģenerēšana ar magnetroniem.
Katra dielektriskā apkures iekārta sastāv no frekvences pārveidotāja ģeneratora un elektrotermiskās ierīces — kondensatora ar īpašas formas plāksnēm. Tā kā dielektriskajai apkurei nepieciešama augsta frekvence (no simtiem kilohercu līdz megahercu vienībām).
Dielektrisko materiālu sildīšanas ar augstfrekvences strāvu tehnoloģijas svarīgākais uzdevums ir nodrošināt nepieciešamo režīmu visa apstrādes procesa laikā.Šīs problēmas risinājumu sarežģī fakts, ka materiālu elektriskās īpašības mainās karsēšanas, žāvēšanas vai citu materiāla stāvokļa izmaiņu rezultātā. Tā sekas ir procesa termiskā režīma pārkāpums un lampas ģeneratora darbības režīma maiņa.
Abiem faktoriem ir nozīmīga loma. Tāpēc, izstrādājot tehnoloģiju dielektrisko materiālu karsēšanai ar augstfrekvences strāvām, rūpīgi jāizpēta apstrādājamā materiāla īpašības un jāanalizē šo īpašību izmaiņas visā tehnoloģiskajā ciklā.
Materiāla dielektriskā konstante ir atkarīga no tā fizikālajām īpašībām, temperatūras, mitruma un elektriskā lauka parametriem. Dielektriskā konstante parasti samazinās, materiālam izžūstot, un dažos gadījumos var mainīties desmitiem reižu.
Lielākajai daļai materiālu dielektriskās konstantes frekvences atkarība ir mazāk izteikta, un tā jāņem vērā tikai dažos gadījumos. Piemēram, ādai šī atkarība ir nozīmīga zemfrekvences reģionā, bet, palielinoties frekvencei, tā kļūst nenozīmīga.
Kā jau minēts, materiālu dielektriskā konstante ir atkarīga no temperatūras izmaiņām, kas vienmēr pavada žāvēšanas un sildīšanas procesus.
Arī dielektrisko zudumu leņķa tangensa apstrādes laikā nepaliek nemainīga, un tas būtiski ietekmē tehnoloģiskā procesa gaitu, jo delta tangenss raksturo materiāla spēju absorbēt mainīga elektriskā lauka enerģiju.
Dielektrisko zudumu leņķa tangenss lielā mērā ir atkarīgs no materiāla mitruma satura. Dažiem materiāliem pieskares delta mainās vairākus simtus reižu no sākotnējās vērtības apstrādes procesa beigās. Tā, piemēram, dzijai, mainoties mitrumam no 70 līdz 8%, absorbcijas leņķa tangenss samazinās 200 reizes.
Svarīga materiāla īpašība ir sadalīšanās elektriskā lauka spriegums ko atļauj šis materiāls.
Elektriskā lauka pārrāvuma stipruma palielināšanās ierobežo iespēju palielināt spriegumu uz kondensatora plāksnēm un tādējādi nosaka uzstādāmās jaudas augšējo robežu.
Materiāla temperatūras un mitruma, kā arī elektriskā lauka frekvences paaugstināšanās noved pie sabrukšanas lauka stipruma samazināšanās.
Lai nodrošinātu iepriekš noteiktu tehnoloģisko režīmu arī ar materiāla elektrisko parametru izmaiņām žāvēšanas procesā, nepieciešams regulēt ģeneratora darbības režīmu. Pareizi mainot ģeneratora darbības režīmu, ir iespējams sasniegt optimālus apstākļus visa darbības cikla laikā un sasniegt augstu instalācijas efektivitāti.
Darba kondensatora konstrukciju nosaka apsildāmo daļu forma un izmērs, apsildāmā materiāla īpašības, tehnoloģiskā procesa raksturs un, visbeidzot, ražošanas veids.
Vienkāršākajā gadījumā tas sastāv no divām vai vairākām plakanām plāksnēm, kas ir paralēlas viena otrai. Plāksnes var būt horizontālas un vertikālas. Plakanie elektrodi tiek izmantoti instalācijās zāģmateriālu, gulšņu, dziju žāvēšanai, saplākšņa līmēšanai.
Sildīšanas materiālu viendabīgums ir atkarīgs no elektriskā lauka sadalījuma vienmērīguma visā apstrādājamā objekta tilpumā.
Materiāla struktūras neviendabīgums, mainīga gaisa sprauga starp elektrodu un detaļas ārējo virsmu, vadošu masu (turētāju, balstu utt.) klātbūtne elektrodu tuvumā izraisa nevienmērīgu elektriskās strāvas sadalījumu. lauks.
Tāpēc praksē tiek izmantotas ļoti dažādas darba kondensatoru konstrukcijas iespējas, no kurām katra ir paredzēta noteiktam tehnoloģiskam procesam.
Iekārtām apkurei ar dielektriķi augstfrekvences elektriskajā laukā ir salīdzinoši zema efektivitāte ar diezgan augstām šajās iekārtās iekļauto iekārtu izmaksām. Tāpēc šādas metodes izmantošanu var attaisnot tikai pēc rūpīgas dažādu apkures metožu ekonomisko un tehnoloģisko rādītāju izpētes un salīdzināšanas.
Visām augstfrekvences dielektriskajām apkures sistēmām ir nepieciešams frekvences pārveidotājs. Šādu pārveidotāju kopējo efektivitāti definē kā kondensatora plāksnēm piegādātās jaudas attiecību pret jaudu, kas saņemta no elektrotīkla.
Lietderīgās darbības koeficienta vērtības ir diapazonā no 0,4 līdz 0,8. Efektivitātes apjoms ir atkarīgs no frekvences pārveidotāja slodzes. Parasti visaugstākā pārveidotāja efektivitāte tiek sasniegta, kad tas ir normāli noslogots.
Dielektriskās apkures iekārtu tehniskie un ekonomiskie rādītāji būtiski ir atkarīgi no elektrotermiskās ierīces konstrukcijas. Pareizi izvēlēta pēdējā konstrukcija nodrošina augstu efektivitāti un mašīnas laika faktoru.
Skatīt arī:
Dielektriķi elektriskajā laukā