Dielektrikų aukšto dažnio šildymo metodų fizinis pagrindas (dielektrinis džiovinimas)
Pramoniniuose technologiniuose procesuose dažnai tenka kaitinti medžiagas, priklausančias dielektrikų ir puslaidininkių grupei. Tipiški tokių medžiagų atstovai yra įvairių rūšių guma, mediena, audiniai, plastikai, popierius ir kt.
Tokių medžiagų elektriniam šildymui naudojami įrenginiai, kurie naudoja dielektrikų ir puslaidininkių gebėjimą sugriebti, kai juos veikia kintamasis elektrinis laukas.
Šildymas atsiranda todėl, kad tokiu atveju dalis elektrinio lauko energijos negrįžtamai prarandama, virsta šiluma (dielektrinis šildymas).
Fiziniu požiūriu šis reiškinys paaiškinamas poslinkio energijos suvartojimu elektros krūviai atomuose ir molekulėse, kurią sukelia kintamo elektrinio lauko veikimas.
Dėl to, kad vienu metu kaitinamas visas gaminio tūris dielektrinis šildymas ypač rekomenduojama darbams, kuriems reikalingas tolygus ir švelnus džiovinimas.Šis sprendimas geriausiai tinka karščiui jautriems gaminiams džiovinti maisto, pramonės ir medicinos pramonėje, siekiant išsaugoti visas jų savybes.
Svarbu pažymėti, kad elektrinio lauko poveikis dielektrikui ar puslaidininkiui atsiranda net ir nesant tiesioginio elektrinio kontakto tarp elektrodų ir medžiagos. Tik būtina, kad medžiaga būtų elektrinio lauko, veikiančio tarp elektrodų, srityje.
Dielektrikams šildyti panaudoti aukšto dažnio elektrinius laukus buvo pasiūlyta praėjusio amžiaus trečiajame dešimtmetyje. Pavyzdžiui, JAV patentas 2 147 689 (pateiktas Bell Telephone Laboratories 1937 m.) teigia: "Šis išradimas yra susijęs su dielektrikų šildymo įtaisu, o šio išradimo tikslas yra šildyti tokias medžiagas tolygiai ir iš esmės vienu metu."
Paprasčiausia įrenginio, skirto šildymui dielektriku, dviejų plokščių elektrodų, į kuriuos tiekiama kintamoji įtampa ir tarp elektrodų dedama šildoma medžiaga, schema parodyta paveikslėlyje.
Dielektrinis šildymo kontūras
Pavaizduota diagrama yra elektrinis kondensatorius, kuriame šildoma medžiaga veikia kaip izoliatorius tarp plokščių.
Nustatomas aktyviosios galios komponento medžiagos sugertos energijos kiekis ir randamas tokiu santykiu:
P = USe·I, nesphi = USe2·w C tg delta,
kur UTo — kondensatoriaus plokščių įtampa; C – kondensatoriaus talpa; tg delta — dielektrinių nuostolių kampas.
Įpurškimo delta (dielektrinių nuostolių kampas) papildomas kampas fi iki 90 ° (fi yra poslinkio kampas tarp aktyviosios ir reaktyviosios galios komponentų) ir kadangi visuose dielektriniuose šildymo įrenginiuose kampas yra artimas 90 °, galime manyti, kad kosinusas phi apytiksliai lygus liestinės delta.
Idealaus nenuostolingo kondensatoriaus kampas fi= 90°, t.y. srovės ir įtampos vektoriai yra tarpusavyje statmeni, o grandinė turi tik reaktyvioji galia.
Dielektrinių nuostolių kampas, išskyrus nulį, yra nepageidaujamas reiškinys įprastiems kondensatoriams, nes tai sukelia energijos nuostolius.
Dielektriniuose šildymo įrenginiuose būtent šie nuostoliai yra naudingi. Tokių įrenginių, kurių nuostolių kampas delta = 0, eksploatuoti negalima.
Plokščių lygiagrečių elektrodų (plokščiojo kondensatoriaus) galia medžiagos tūrio vienetui tarp elektrodų gali būti apskaičiuojama pagal formulę
Py = 0,555·e daTgdelta,
čia f yra dažnis, MHz; Ru — savitoji sugertoji galia, W/cm3, e — elektrinio lauko stipris, kv/cm; da = e / do yra santykinė medžiagos dielektrinė konstanta.
Tai yra YPalyginimas rodo, kad dielektrinio šildymo efektyvumą lemia:
-
įrenginio sukuriamo elektrinio lauko parametrai (e ir f);
-
elektrinės medžiagų savybės (dielektrinių nuostolių tangentas ir santykinė medžiagos dielektrinė konstanta).
Kaip rodo formulės analizė, įrenginio efektyvumas didėja didėjant elektrinio lauko stiprumui ir dažniui. Praktiškai tai įmanoma tik laikantis tam tikrų ribų.
Esant aukštesniam nei 4-5 MHz dažniui, aukšto dažnio generatoriaus-keitiklio elektrinis naudingumo koeficientas smarkiai sumažėja, todėl aukštesnių dažnių naudojimas pasirodo ekonomiškai nenaudingas.
Didžiausia elektrinio lauko stiprio vertė nustatoma pagal vadinamąjį skilimo lauko stiprumą kiekvienai konkrečiai apdirbamos medžiagos rūšiai.
Pasiekus skilimo lauko stiprumą, yra arba vietinis medžiagos vientisumo pažeidimas, arba elektros lankas tarp elektrodų ir medžiagos paviršiaus. Šiuo atžvilgiu darbinio lauko stiprumas visada turi būti mažesnis nei gedimo stiprumas.
Medžiagos elektrinės savybės priklauso ne tik nuo jos fizinės prigimties, bet ir nuo kintamų jos būseną apibūdinančių parametrų – temperatūros, drėgmės, slėgio ir kt.
Šie parametrai kinta technologinio proceso metu, į kuriuos būtina atsižvelgti skaičiuojant dielektrinius šildymo įrenginius. Tik teisingai įvertinus visus šiuos veiksnius jų sąveikoje ir kaitoje, galima užtikrinti ekonomiškai ir technologiškai naudingą dielektrinių šildymo prietaisų panaudojimą pramonėje.
Aukšto dažnio klijų presas – tai įrenginys, kuriame naudojamas dielektrinis šildymas, pavyzdžiui, siekiant pagreitinti medienos klijavimą. Pats prietaisas yra beveik įprastas klijų presas. Tačiau jame yra ir specialūs elektrodai, skirti sukurti aukšto dažnio elektrinį lauką klijuojamoje dalyje. Laukas greitai (per keliasdešimt sekundžių) pakelia gaminio temperatūrą, dažniausiai iki 50 — 70 °C. Tai žymiai pagreitina klijų džiūvimą.
Skirtingai nuo aukšto dažnio šildymo, mikrobangų šildymas yra dielektrinis šildymas, kurio dažnis didesnis nei 100 MHz, o elektromagnetines bangas galima skleisti iš mažo emiterio ir nukreipti į objektą per erdvę.
Šiuolaikinės mikrobangų krosnelės naudoja daug aukštesnio dažnio elektromagnetines bangas nei aukšto dažnio šildytuvai. Įprastos namų mikrobangų krosnelės veikia 2,45 GHz diapazone, tačiau yra ir 915 MHz mikrobangų. Tai reiškia, kad radijo bangų, naudojamų kaitinant mikrobangėmis, bangos ilgis yra nuo 0,1 cm iki 10 cm.
Mikrobangų krosnelėse susidaro mikrobangų svyravimai su magnetronais.
Kiekvieną dielektrinį šildymo įrenginį sudaro dažnio keitiklio generatorius ir elektroterminis įrenginys – kondensatorius su specialios formos plokštėmis. Kadangi dielektriniam šildymui reikalingas aukštas dažnis (nuo šimtų kilohercų iki megahercų vienetų).
Dielektrinių medžiagų šildymo aukšto dažnio srovėmis technologijos svarbiausias uždavinys – užtikrinti reikiamą režimą viso apdirbimo proceso metu, šios problemos sprendimą apsunkina tai, kad medžiagų elektrinės savybės keičiasi kaitinant, džiovinant ar dėl kitų medžiagos būklės pokyčių. To pasekmė yra proceso terminio režimo pažeidimas ir lempos generatoriaus veikimo režimo pasikeitimas.
Abu veiksniai vaidina svarbų vaidmenį. Todėl kuriant dielektrinių medžiagų kaitinimo aukšto dažnio srovėmis technologiją, reikia atidžiai ištirti apdirbamos medžiagos savybes ir analizuoti šių savybių kitimą viso technologinio ciklo metu.
Medžiagos dielektrinė konstanta priklauso nuo jos fizikinių savybių, temperatūros, drėgmės ir elektrinio lauko parametrų. Dielektrinė konstanta paprastai mažėja medžiagai džiūstant ir kai kuriais atvejais gali keistis dešimtis kartų.
Daugumos medžiagų dielektrinės konstantos priklausomybė nuo dažnio yra mažiau ryški ir į ją reikėtų atsižvelgti tik kai kuriais atvejais. Pavyzdžiui, odai ši priklausomybė yra reikšminga žemo dažnio srityje, tačiau dažniui didėjant, ji tampa nereikšminga.
Kaip jau minėta, medžiagų dielektrinė konstanta priklauso nuo temperatūros pokyčio, kuris visada lydi džiovinimo ir šildymo procesus.
Apdorojimo metu dielektrinių nuostolių kampo liestinė taip pat nelieka pastovi, o tai turi didelės įtakos technologinio proceso eigai, nes delta liestinė apibūdina medžiagos gebėjimą sugerti kintamo elektrinio lauko energiją.
Dielektrinių nuostolių kampo liestinė didžiąja dalimi priklauso nuo medžiagos drėgmės kiekio. Kai kurių medžiagų liestinės delta apdirbimo proceso pabaigoje nuo pradinės vertės pasikeičia kelis šimtus kartų. Taigi, pavyzdžiui, verpalams, kai drėgmė pasikeičia nuo 70 iki 8%, absorbcijos kampo liestinė sumažėja 200 kartų.
Svarbi medžiagos savybė yra gedimo elektrinio lauko įtempis leidžiama pagal šią medžiagą.
Elektrinio lauko skilimo stiprumo padidėjimas riboja galimybę padidinti kondensatoriaus plokščių įtampą ir taip lemia viršutinę galios, kurią galima montuoti, ribą.
Padidėjus medžiagos temperatūrai ir drėgmei, taip pat elektrinio lauko dažniui, sumažėja skilimo lauko stiprumas.
Norint užtikrinti iš anksto numatytą technologinį režimą net ir keičiantis medžiagos elektriniams parametrams džiovinimo metu, būtina sureguliuoti generatoriaus darbo režimą. Teisingai pakeitus generatoriaus darbo režimą, galima pasiekti optimalias sąlygas viso darbo ciklo metu ir pasiekti aukštą instaliacijos efektyvumą.
Darbinio kondensatoriaus konstrukciją lemia šildomų dalių forma ir dydis, šildomos medžiagos savybės, technologinio proceso pobūdis ir galiausiai gamybos tipas.
Paprasčiausiu atveju jis susideda iš dviejų ar daugiau plokščių plokščių, lygiagrečių viena kitai. Plokštės gali būti horizontalios ir vertikalios. Plokštieji elektrodai naudojami pjautinės medienos, pabėgių, siūlų džiovinimo, faneros klijavimo įrenginiuose.
Šildymo medžiagų vienodumas priklauso nuo elektrinio lauko pasiskirstymo tolygumo visame apdorojamo objekto tūryje.
Nehomogeniškumas medžiagos struktūroje, kintamas oro tarpas tarp elektrodo ir išorinio detalės paviršiaus, laidžios masės (laikikliai, atramos ir kt.) šalia elektrodų lemia netolygų elektros pasiskirstymą. lauke.
Todėl praktikoje naudojami įvairiausi darbinių kondensatorių projektavimo variantai, kurių kiekvienas yra skirtas tam tikram technologiniam procesui.
Įrenginiai, skirti šildymui dielektriku aukšto dažnio elektriniame lauke, turi santykinai mažą efektyvumą už gana didelę šiose sistemose esančios įrangos kainą. Todėl tokio būdo naudojimas gali būti pateisinamas tik nuodugniai ištyrus ir palyginus skirtingų šildymo būdų ekonominius ir technologinius rodiklius.
Dažnio keitiklis reikalingas visoms aukšto dažnio dielektrinėms šildymo sistemoms. Bendras tokių keitiklių efektyvumas apibrėžiamas kaip į kondensatoriaus plokštes tiekiamos galios ir iš elektros tinklo gaunamos galios santykis.
Naudingo veikimo koeficiento reikšmės yra nuo 0,4 iki 0,8. Efektyvumo dydis priklauso nuo dažnio keitiklio apkrovos. Paprastai didžiausias keitiklio efektyvumas pasiekiamas, kai jis yra normaliai apkrautas.
Dielektrinio šildymo įrenginių techniniai ir ekonominiai rodikliai labai priklauso nuo elektroterminio įrenginio konstrukcijos. Tinkamai parinkta pastarųjų konstrukcija užtikrina aukštą efektyvumą ir mašinos laiko faktorių.
Taip pat žiūrėkite:
Dielektrikai elektriniame lauke