Bases físiques dels mètodes d'escalfament d'alta freqüència de dielèctrics (assecat dielèctric)
En els processos tecnològics industrials, sovint és necessari escalfar materials pertanyents al grup dels dielèctrics i semiconductors. Els representants típics d'aquests materials són diversos tipus de cautxú, fusta, teixits, plàstics, paper, etc.
Per a l'escalfament elèctric d'aquests materials, s'utilitzen instal·lacions que utilitzen la capacitat dels dielèctrics i semiconductors d'apoderar-se quan s'exposen a un camp elèctric altern.
L'escalfament es produeix perquè en aquest cas una part de l'energia del camp elèctric es perd irremeiablement, convertint-se en calor (escalfament dielèctric).
Des del punt de vista físic, aquest fenomen s'explica pel consum d'energia de desplaçament càrregues elèctriques en àtoms i molècules, que és causada per l'acció d'un camp elèctric altern.
A causa de l'escalfament simultani de tot el volum del producte calefacció dielèctrica especialment recomanat per a aplicacions que requereixen un assecat uniforme i suau.Aquesta solució és la més adequada per assecar productes sensibles a la calor a les indústries alimentàries, industrials i mèdiques per preservar totes les seves propietats.
És important tenir en compte que l'efecte d'un camp elèctric sobre un dielèctric o semiconductor es produeix fins i tot en absència de contacte elèctric directe entre els elèctrodes i el material. Només cal que el material estigui a la zona del camp elèctric que actua entre els elèctrodes.
A la dècada de 1930 es va proposar l'ús de camps elèctrics d'alta freqüència per escalfar els dielèctrics. Per exemple, la patent dels EUA 2.147.689 (presentada a Bell Telephone Laboratories el 1937) afirma: "La present invenció es refereix a un dispositiu de calefacció per dielèctrics, i l'objectiu de la present invenció és escalfar aquests materials de manera uniforme i substancialment simultània".
A la figura es mostra el diagrama més senzill d'un dispositiu per escalfar amb un dielèctric en forma de dos elèctrodes plans als quals s'aplica una tensió alterna i un material escalfat col·locat entre els elèctrodes.
Circuit de calefacció dielèctric
El diagrama que es mostra és condensador elèctric, en què el material escalfat actua com a aïllant entre les plaques.
La quantitat d'energia absorbida pel material del component de potència activa es determina i es troba en la relació següent:
P = USe·I perquèphi = USe2·w C tg delta,
on UTo — tensió a les plaques del condensador; C és la capacitat del condensador; tg delta — angle de pèrdua dielèctrica.
Delta d'injecció (angle de pèrdues dielèctriques) angle complementari fi fins a 90 ° (fi és l'angle de desplaçament entre els components de potència activa i reactiva) i com que en tots els dispositius de calefacció dielèctric l'angle és proper als 90 °, podem suposar que el cosinus phi aproximadament igual al delta tangent.
Per a un condensador ideal sense pèrdues, l'angle fi = 90 °, és a dir, els vectors de corrent i tensió són mútuament perpendiculars i el circuit té un potència reactiva.
La presència d'un angle de pèrdua dielèctrica diferent de zero és un fenomen indesitjable per als condensadors convencionals perquè provoca pèrdues d'energia.
En les instal·lacions de calefacció dielèctrica, són precisament aquestes pèrdues les que representen un efecte útil. El funcionament d'aquestes instal·lacions amb un angle de pèrdua delta = 0 no és possible.
Per a elèctrodes paral·lels plans (condensador pla), la potència per unitat de volum del material entre els elèctrodes es pot calcular mitjançant la fórmula
Py = 0,555·e daTgdelta,
on f és la freqüència, MHz; Ru — potència específica absorbida, W / cm3, e — intensitat del camp elèctric, kv / cm; da = e / do és la constant dielèctrica relativa del material.
Això és YLa comparació mostra que l'eficiència de l'escalfament dielèctric està determinada per:
-
paràmetres del camp elèctric generat per la instal·lació (e i f);
-
propietats elèctriques dels materials (tangent de pèrdua dielèctrica i constant dielèctrica relativa del material).
Com mostra l'anàlisi de la fórmula, l'eficiència de la instal·lació augmenta amb l'augment de la força i la freqüència del camp elèctric. A la pràctica, això només és possible dins de certs límits.
A una freqüència superior a 4-5 MHz, l'eficiència elèctrica del generador-convertidor d'alta freqüència disminueix bruscament, de manera que l'ús de freqüències més altes resulta econòmicament poc rendible.
El valor més alt de la intensitat del camp elèctric ve determinat per l'anomenada intensitat del camp de ruptura per a cada tipus específic de material processat.
Quan s'aconsegueix la força del camp de ruptura, hi ha una violació local de la integritat del material o l'aparició d'un arc elèctric entre els elèctrodes i la superfície del material. En aquest sentit, la força del camp de treball ha de ser sempre inferior a la de l'avaria.
Les propietats elèctriques del material depenen no només de la seva naturalesa física, sinó també dels paràmetres variables que caracteritzen el seu estat: temperatura, humitat, pressió, etc.
Aquests paràmetres canvien durant el procés tecnològic, que s'han de tenir en compte a l'hora de calcular els dispositius de calefacció dielèctric. Només amb la correcta consideració de tots aquests factors en la seva interacció i canvi, es pot assegurar l'ús econòmic i tecnològicament avantatjós dels dispositius de calefacció dielèctric a la indústria.
Una premsa de cola d'alta freqüència és un dispositiu que utilitza calefacció dielèctrica, per exemple, per accelerar l'encolat de la fusta. El dispositiu en si és pràcticament una premsa de cola normal. Tanmateix, també disposa d'elèctrodes especials per crear un camp elèctric d'alta freqüència a la peça a enganxar. El camp ràpidament (en unes poques desenes de segons) augmenta la temperatura del producte, normalment fins a 50 - 70 ° C. Això accelera significativament l'assecat de la cola.
A diferència de l'escalfament d'alta freqüència, l'escalfament per microones és un escalfament dielèctric amb una freqüència superior a 100 MHz, i les ones electromagnètiques es poden emetre des d'un petit emissor i dirigir-se a un objecte a través de l'espai.
Els forns de microones moderns utilitzen ones electromagnètiques a freqüències molt més altes que els escalfadors d'alta freqüència. Els microones domèstics típics funcionen en el rang de 2,45 GHz, però també hi ha microones de 915 MHz. Això vol dir que la longitud d'ona de les ones de ràdio utilitzades en la calefacció per microones és de 0,1 cm a 10 cm.
Es produeix la generació d'oscil·lacions de microones als forns de microones amb magnetrons.
Cada instal·lació de calefacció dielèctrica consta d'un generador convertidor de freqüència i un dispositiu electrotèrmic: un condensador amb plaques de forma especial. Perquè l'escalfament dielèctric requereix una freqüència elevada (des de centenars de kilohertz fins a unitats de megahertz).
La tasca més important de la tecnologia per escalfar materials dielèctrics amb corrents d'alta freqüència és garantir el mode necessari durant tot el procés de processament.La solució a aquest problema es complica pel fet que les propietats elèctriques dels materials canvien durant l'escalfament, l'assecat o com a conseqüència d'altres canvis en l'estat del material. La conseqüència d'això és una violació del règim tèrmic del procés i un canvi en el mode de funcionament del generador de làmpades.
Tots dos factors tenen un paper important. Per tant, a l'hora de desenvolupar una tecnologia per escalfar materials dielèctrics amb corrents d'alta freqüència, s'han d'estudiar detingudament les propietats del material processat i analitzar el canvi d'aquestes propietats al llarg del cicle tecnològic.
La constant dielèctrica d'un material depèn de les seves propietats físiques, temperatura, humitat i paràmetres de camp elèctric. La constant dielèctrica sol disminuir a mesura que el material s'asseca i en alguns casos pot canviar desenes de vegades.
Per a la majoria de materials, la dependència de la freqüència de la constant dielèctrica és menys pronunciada i només s'ha de tenir en compte en alguns casos. Per a la pell, per exemple, aquesta dependència és significativa a la regió de baixa freqüència, però a mesura que augmenta la freqüència, esdevé insignificant.
Com ja s'ha dit, la constant dielèctrica dels materials depèn del canvi de temperatura que sempre acompanya els processos d'assecat i escalfament.
La tangent de l'angle de pèrdues dielèctriques tampoc es manté constant durant el processament, i això té un impacte significatiu en el curs del procés tecnològic, ja que la tangent delta caracteritza la capacitat del material per absorbir l'energia d'un camp elèctric altern.
En gran mesura, la tangent de l'angle de pèrdua dielèctrica depèn del contingut d'humitat del material. Per a alguns materials, el delta tangent canvia diversos centenars de vegades des del seu valor inicial al final del procés de mecanitzat. Així, per exemple, per al fil, quan la humitat canvia del 70 al 8%, la tangent de l'angle d'absorció disminueix 200 vegades.
Una característica important del material és tensió de camp elèctric de descomposició permesos per aquest material.
L'augment de la força de ruptura del camp elèctric limita la possibilitat d'augmentar la tensió a les plaques del condensador i, per tant, determina el límit superior de la potència que es pot instal·lar.
Un augment de la temperatura i la humitat del material, així com la freqüència del camp elèctric, condueix a una disminució de la força del camp de ruptura.
Per garantir un mode tecnològic predeterminat fins i tot amb canvis en els paràmetres elèctrics del material durant el procés d'assecat, cal ajustar el mode de funcionament del generador. Amb el canvi correcte del mode de funcionament del generador, és possible aconseguir unes condicions òptimes durant tot el cicle de funcionament i aconseguir una alta eficiència de la instal·lació.
El disseny del condensador de treball està determinat per la forma i la mida de les peces escalfades, les propietats del material escalfat, la naturalesa del procés tecnològic i, finalment, el tipus de producció.
En el cas més senzill, consta de dues o més plaques planes paral·leles entre si. Les plaques poden ser horitzontals i verticals. Els elèctrodes plans s'utilitzen en instal·lacions per assecar fusta serrada, travesses, fils, encolat de fusta contraxapada.
La uniformitat dels materials de calefacció depèn de la uniformitat de la distribució del camp elèctric al llarg de tot el volum de l'objecte tractat.
La presència d'una falta d'homogeneïtat en l'estructura del material, un espai d'aire variable entre l'elèctrode i la superfície exterior de la peça, la presència de masses conductores (suports, suports, etc.) prop dels elèctrodes condueixen a una distribució desigual de l'electricitat. camp.
Per tant, a la pràctica, s'utilitzen una gran varietat d'opcions de disseny per a condensadors de treball, cadascuna de les quals està dissenyada per a un procés tecnològic determinat.
Les instal·lacions de calefacció amb un dielèctric en un camp elèctric d'alta freqüència tenen una eficiència relativament baixa amb un cost força elevat dels equips inclosos en aquestes instal·lacions. Per tant, l'ús d'aquest mètode només es pot justificar després d'un estudi exhaustiu i una comparació dels indicadors econòmics i tecnològics dels diferents mètodes de calefacció.
Es requereix un convertidor de freqüència per a tots els sistemes de calefacció dielèctric d'alta freqüència. L'eficiència global d'aquests convertidors es defineix com la relació entre la potència subministrada a les plaques del condensador i la potència rebuda de la xarxa elèctrica.
Els valors del coeficient d'acció útil estan entre 0,4 i 0,8. La quantitat d'eficiència depèn de la càrrega del convertidor de freqüència. Per regla general, la màxima eficiència del convertidor s'aconsegueix quan està carregat normalment.
Els indicadors tècnics i econòmics de les instal·lacions de calefacció dielèctrica depenen significativament del disseny del dispositiu electrotèrmic. El disseny correctament seleccionat d'aquest últim garanteix una alta eficiència i un factor de temps de màquina.
Vegeu també:
Dielèctrics en un camp elèctric