Dielektriklerin yüksek frekansta ısıtılması (dielektrik kurutma) için yöntemlerin fiziksel temeli
Endüstriyel teknolojik süreçlerde, genellikle dielektrikler ve yarı iletkenler grubuna ait malzemeleri ısıtmak gerekir. Bu tür malzemelerin tipik temsilcileri, çeşitli kauçuk, ahşap, kumaş, plastik, kağıt vb.
Bu tür malzemelerin elektrikli ısıtılması için, dielektriklerin ve yarı iletkenlerin alternatif bir elektrik alanına maruz kaldıklarında ele geçirme yeteneğini kullanan tesisatlar kullanılır.
Isıtma meydana gelir, çünkü bu durumda elektrik alan enerjisinin bir kısmı geri alınamaz bir şekilde kaybolarak ısıya dönüşür (dielektrik ısıtma).
Fiziksel bir bakış açısından, bu fenomen yer değiştirme enerjisinin tüketimi ile açıklanmaktadır. elektrik ücretleri alternatif bir elektrik alanının etkisinin neden olduğu atomlarda ve moleküllerde.
Ürünün tüm hacminin aynı anda ısıtılması nedeniyle dielektrik ısıtma özellikle eşit ve hassas kurutma gerektiren uygulamalar için önerilir.Bu çözüm, tüm özelliklerini korumak için gıda, endüstriyel ve medikal endüstrilerinde ısıya duyarlı ürünlerin kurutulması için en uygundur.
Bir dielektrik veya yarı iletken üzerindeki elektrik alanının etkisinin, elektrotlar ve malzeme arasında doğrudan elektrik teması olmadığında bile meydana geldiğine dikkat etmek önemlidir. Sadece malzemenin elektrotlar arasında hareket eden elektrik alanı alanında olması gerekir.
Dielektrikleri ısıtmak için yüksek frekanslı elektrik alanlarının kullanılması 1930'larda önerildi. Örneğin, ABD Patenti 2,147,689 (1937'de Bell Telephone Laboratories'e başvurusu yapılmıştır) şöyle belirtmektedir: "Mevcut buluş, dielektrikler için bir ısıtma cihazı ile ilgilidir ve mevcut buluşun amacı, bu tür malzemeleri eşit şekilde ve büyük ölçüde eş zamanlı olarak ısıtmaktır."
Alternatif bir voltajın uygulandığı ve elektrotların arasına ısıtılmış bir malzemenin yerleştirildiği iki düz elektrot şeklindeki bir dielektrik ile ısıtmak için bir cihazın en basit diyagramı şekilde gösterilmiştir.
dielektrik ısıtma devresi
Gösterilen diyagram elektrik kondansatörü, ısıtılmış malzemenin plakalar arasında bir yalıtkan görevi gördüğü.
Aktif güç bileşeni malzemesi tarafından emilen enerji miktarı belirlenir ve aşağıdaki oranda bulunur:
P = USe·I çünküphi = USe2·w C tg delta,
nerede UTo - kondansatör plakalarındaki voltaj; C, kapasitörün kapasitansıdır; tg delta — dielektrik kayıp açısı.
Enjeksiyon deltası (dielektrik kayıp açısı) tamamlayıcı açı fi 90 °'ye kadar (fi, aktif ve reaktif güç bileşenleri arasındaki yer değiştirme açısıdır) ve tüm dielektrik ısıtma cihazlarında açı 90 °'ye yakın olduğundan, kosinüs olduğunu varsayabiliriz phi yaklaşık olarak teğet deltaya eşittir.
İdeal bir kayıpsız kondansatör için açı fi= 90°'dir, yani akım ve gerilim vektörleri karşılıklı olarak diktir ve devrenin tamamen reaktif güç.
Sıfırdan farklı bir dielektrik kayıp açısının varlığı, enerji kayıplarına neden olduğu için konvansiyonel kapasitörler için istenmeyen bir olgudur.
Dielektrik ısıtma tesisatlarında, yararlı bir etkiyi temsil eden tam da bu kayıplardır. Delta = 0 kayıp açısı ile bu tür kurulumların çalıştırılması mümkün değildir.
Düz paralel elektrotlar için (düz kapasitör), elektrotlar arasındaki malzemenin birim hacmi başına güç, formülle hesaplanabilir.
Py = 0.555·e daTgdelta,
burada f frekanstır, MHz; Ru — özgül emilen güç, W / cm3, e — elektrik alan gücü, kv / cm; da = e / do, malzemenin bağıl dielektrik sabitidir.
Bu YKarşılaştırma, dielektrik ısıtmanın verimliliğinin aşağıdakiler tarafından belirlendiğini göstermektedir:
-
kurulum tarafından üretilen elektrik alan parametreleri (e ve f);
-
malzemelerin elektriksel özellikleri (dielektrik kayıp teğet Ve malzemenin bağıl dielektrik sabiti).
Formülün analizinin gösterdiği gibi, elektrik alanın artan gücü ve frekansı ile tesisatın verimliliği artar. Pratikte bu ancak belirli sınırlar içinde mümkündür.
4-5 MHz'den daha yüksek bir frekansta, yüksek frekanslı jeneratör-dönüştürücünün elektriksel verimliliği keskin bir şekilde düşer, bu nedenle daha yüksek frekansların kullanılması ekonomik olarak kârsız hale gelir.
Elektrik alan kuvvetinin en yüksek değeri, her bir özel işlenmiş malzeme türü için sözde arıza alan kuvveti ile belirlenir.
Kırılma alanının gücüne ulaşıldığında, ya malzemenin bütünlüğünün yerel bir ihlali vardır ya da elektrotlar ile malzeme yüzeyi arasında bir elektrik arkı meydana gelir. Bu bakımdan, çalışma alanının gücü her zaman arızanınkinden daha az olmalıdır.
Malzemenin elektriksel özellikleri yalnızca fiziksel yapısına değil, aynı zamanda durumunu karakterize eden değişken parametrelere de bağlıdır - sıcaklık, nem, basınç vb.
Bu parametreler, dielektrik ısıtma cihazları hesaplanırken dikkate alınması gereken teknolojik süreç sırasında değişir. Dielektrik ısıtma cihazlarının endüstride ekonomik ve teknolojik olarak avantajlı kullanımı ancak tüm bu faktörlerin etkileşim ve değişimlerinde doğru bir şekilde değerlendirilmesi ile sağlanabilir.
Yüksek frekanslı bir tutkal presi, örneğin ahşabın yapıştırılmasını hızlandırmak için dielektrik ısıtma kullanan bir cihazdır. Cihazın kendisi hemen hemen normal bir tutkal presidir. Ancak yapıştırılacak parçada yüksek frekanslı elektrik alanı oluşturmak için özel elektrotlara da sahiptir. Alan hızlı bir şekilde (birkaç on saniye içinde) ürünün sıcaklığını genellikle 50 - 70 ° C'ye yükseltir. Bu, yapıştırıcının kurumasını önemli ölçüde hızlandırır.
Yüksek frekanslı ısıtmanın aksine, mikrodalga ısıtma, frekansı 100 MHz'in üzerinde olan dielektrik ısıtmadır ve elektromanyetik dalgalar küçük bir yayıcıdan yayılabilir ve uzaydaki bir nesneye yönlendirilebilir.
Modern mikrodalga fırınlar, yüksek frekanslı ısıtıcılardan çok daha yüksek frekanslarda elektromanyetik dalgalar kullanır. Tipik ev mikrodalgaları 2,45 GHz aralığında çalışır, ancak 915 MHz mikrodalgaları da vardır. Bu, mikrodalga ısıtmada kullanılan radyo dalgalarının dalga boyunun 0,1 cm ila 10 cm arasında olduğu anlamına gelir.
Mikrodalga fırınlarda mikrodalga salınımlarının oluşumu gerçekleşir. magnetronlarla.
Her bir dielektrik ısıtma tesisatı, bir frekans dönüştürücü üreteci ve bir elektrotermal cihazdan - özel olarak şekillendirilmiş plakalara sahip bir kapasitörden - oluşur. Dielektrik ısıtma yüksek bir frekans gerektirdiğinden (yüzlerce kilohertzden megahertz birimlerine kadar).
Dielektrik malzemeleri yüksek frekanslı akımlarla ısıtma teknolojisinin en önemli görevi, tüm işleme süreci boyunca gerekli modu sağlamaktır.Bu sorunun çözümü, malzemelerin elektriksel özelliklerinin ısıtma, kurutma veya malzemenin durumundaki diğer değişikliklerin bir sonucu olarak. Bunun sonucu, işlemin termal rejiminin ihlali ve lamba jeneratörünün çalışma modunda bir değişikliktir.
Her iki faktör de önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle, yüksek frekanslı akımlarla dielektrik malzemeleri ısıtmak için bir teknoloji geliştirirken, işlenen malzemenin özellikleri dikkatlice incelenmeli ve teknolojik döngü boyunca bu özelliklerdeki değişim analiz edilmelidir.
Bir malzemenin dielektrik sabiti, fiziksel özelliklerine, sıcaklığa, neme ve elektrik alan parametrelerine bağlıdır. Dielektrik sabiti genellikle malzeme kurudukça azalır ve bazı durumlarda onlarca kez değişebilir.
Çoğu malzeme için, dielektrik sabitinin frekansa bağlılığı daha az belirgindir ve yalnızca bazı durumlarda dikkate alınmalıdır. Örneğin cilt için bu bağımlılık düşük frekans bölgesinde önemlidir, ancak frekans arttıkça anlamsız hale gelir.
Daha önce bahsedildiği gibi, malzemelerin dielektrik sabiti her zaman kurutma ve ısıtma işlemlerine eşlik eden sıcaklık değişimine bağlıdır.
Dielektrik kayıp açısının teğeti de işleme sırasında sabit kalmaz ve bunun teknolojik sürecin seyri üzerinde önemli bir etkisi vardır, çünkü delta teğeti, malzemenin alternatif bir elektrik alanının enerjisini emme yeteneğini karakterize eder.
Dielektrik kayıp açısının tanjantı büyük ölçüde malzemenin nem içeriğine bağlıdır. Bazı malzemeler için teğet delta, işleme sürecinin sonunda başlangıç değerinden birkaç yüz kat değişir. Yani örneğin iplik için nem %70'ten %8'e değiştiğinde emme açısının tanjantı 200 kat azalır.
Malzemenin önemli bir özelliği, arıza elektrik alan gerilimi bu malzeme tarafından izin verilir.
Elektrik alanın kırılma dayanımındaki artış, kondansatör plakalarındaki gerilimi artırma olasılığını sınırlar ve böylece kurulabilecek gücün üst sınırını belirler.
Malzemenin sıcaklığı ve nemi ile elektrik alanın frekansındaki bir artış, kırılma alanının kuvvetinin azalmasına yol açar.
Kurutma işlemi sırasında malzemenin elektriksel parametrelerindeki değişikliklerde bile önceden belirlenmiş bir teknolojik modun sağlanması için jeneratörün çalışma modunun ayarlanması gerekir. Jeneratörün çalışma modunun doğru şekilde değiştirilmesiyle, tüm çalışma döngüsü boyunca en uygun koşulları elde etmek ve tesisatta yüksek verimlilik elde etmek mümkündür.
Çalışan kondansatörün tasarımı, ısıtılan parçaların şekli ve boyutu, ısıtılan malzemenin özellikleri, teknolojik sürecin doğası ve son olarak üretim türü ile belirlenir.
En basit haliyle birbirine paralel iki veya daha fazla düz levhadan oluşur. Plakalar yatay ve dikey olabilir. Yassı elektrotlar, biçilmiş kereste, traversler, iplikler, kontrplak yapıştırma tesislerinde kullanılır.
Isıtma malzemelerinin tekdüzeliği, elektrik alanın işlenen nesnenin tüm hacmi boyunca dağılımının tekdüzeliğine bağlıdır.
Malzemenin yapısında homojen olmama, elektrot ile parçanın dış yüzeyi arasında değişken bir hava boşluğu olması, elektrotların yakınında iletken kütlelerin (tutucu, destek vb.) bulunması elektriğin eşit olmayan bir şekilde dağılmasına neden olur. alan.
Bu nedenle, pratikte, her biri belirli bir teknolojik süreç için tasarlanmış, çalışma kapasitörleri için çok çeşitli tasarım seçenekleri kullanılmaktadır.
Yüksek frekanslı bir elektrik alanında bir dielektrik ile ısıtmaya yönelik tesisler, bu tesislere dahil edilen ekipmanın oldukça yüksek bir maliyeti ile nispeten düşük verimliliğe sahiptir. Bu nedenle, böyle bir yöntemin kullanımı ancak kapsamlı bir çalışma ve farklı ısıtma yöntemlerinin ekonomik ve teknolojik göstergelerinin karşılaştırılmasından sonra haklı çıkarılabilir.
Tüm yüksek frekanslı dielektrik ısıtma sistemleri için bir frekans dönüştürücü gereklidir. Bu tür dönüştürücülerin toplam verimliliği, kapasitör plakalarına sağlanan gücün elektrik şebekesinden alınan güce oranı olarak tanımlanır.
Yararlı eylem katsayısının değerleri 0,4 - 0,8 aralığındadır. Verimlilik miktarı, frekans dönüştürücü üzerindeki yüke bağlıdır. Kural olarak, dönüştürücünün en yüksek verimliliği normal yüklendiğinde elde edilir.
Dielektrik ısıtma tesisatlarının teknik ve ekonomik göstergeleri, önemli ölçüde elektrotermal cihazın tasarımına bağlıdır. İkincisinin uygun şekilde seçilmiş tasarımı, yüksek verimlilik ve makine zaman faktörü sağlar.
Ayrıca bakınız:
Bir elektrik alanındaki dielektrikler