בסיס פיזי של שיטות לחימום בתדר גבוה של דיאלקטריים (ייבוש דיאלקטרי)
בתהליכים טכנולוגיים תעשייתיים, לעתים קרובות יש צורך בחימום חומרים השייכים לקבוצת הדיאלקטריים והמוליכים למחצה. נציגים אופייניים של חומרים כאלה הם סוגים שונים של גומי, עץ, בדים, פלסטיק, נייר וכו '.
לחימום חשמלי של חומרים כאלה, נעשה שימוש במתקנים המשתמשים ביכולת של דיאלקטריים ומוליכים למחצה להיתפס כאשר הם נחשפים לשדה חשמלי מתחלף.
חימום מתרחש מכיוון שבמקרה זה חלק מהאנרגיה של השדה החשמלי אובד באופן בלתי הפיך, והופך לחום (חימום דיאלקטרי).
מנקודת מבט פיזיקלית, תופעה זו מוסברת על ידי צריכת אנרגיית עקירה מטענים חשמליים באטומים ובמולקולות, אשר נגרמת מפעולת שדה חשמלי מתחלף.
בשל חימום בו זמנית של כל נפח המוצר חימום דיאלקטרי מומלץ במיוחד ליישומים הדורשים ייבוש אחיד ועדין.פתרון זה מתאים ביותר לייבוש מוצרים רגישים לחום בתעשיות המזון, התעשייה והרפואה כדי לשמר את כל תכונותיהם.
חשוב לציין שהשפעת שדה חשמלי על דיאלקטרי או מוליך למחצה מתרחשת גם בהיעדר מגע חשמלי ישיר בין האלקטרודות לחומר. יש צורך רק שהחומר יהיה באזור השדה החשמלי הפועל בין האלקטרודות.
השימוש בשדות חשמליים בתדר גבוה לחימום דיאלקטריים הוצע בשנות ה-30. לדוגמה, פטנט אמריקאי 2,147,689 (הוגש ל-Bell Telephone Laboratories בשנת 1937) קובע: "ההמצאה הנוכחית מתייחסת למכשיר חימום לדיאלקטריים, ומטרת ההמצאה הנוכחית היא לחמם חומרים כאלה באופן אחיד ומהותי בו-זמנית."
התרשים הפשוט ביותר של מכשיר לחימום עם דיאלקטרי בצורה של שתי אלקטרודות שטוחות עליהן מופעל מתח חילופין וחומר מחומם המונח בין האלקטרודות מוצג באיור.
מעגל חימום דיאלקטרי
התרשים המוצג הוא קבל חשמלי, שבו החומר המחומם משמש כמבודד בין הלוחות.
כמות האנרגיה הנספגת על ידי חומר רכיב הכוח הפעיל נקבעת ונמצאת ביחס הבא:
P = USe·I becausephi = USe2·w C tg delta,
כאשר UTo - מתח על הלוחות של הקבל; C הוא הקיבול של הקבל; tg delta - זווית אובדן דיאלקטרי.
דלתא הזרקה (זווית של הפסדים דיאלקטריים) זווית משלימה fi עד 90 מעלות (fi היא זווית התזוזה בין רכיבי הכוח הפעיל לתגובתי) ומכיוון שבכל מכשירי החימום הדיאלקטרי הזווית קרובה ל-90 מעלות, אנו יכולים להניח שהקוסינוס phi שווה בערך לדלתא משיק.
עבור קבל נטול אובדן אידיאלי, הזווית fi = 90 מעלות, כלומר וקטורי הזרם והמתח מאונכים זה לזה ולמעגל יש רק כוח תגובתי.
נוכחות של זווית אובדן דיאלקטרי שאינה אפס היא תופעה לא רצויה עבור קבלים קונבנציונליים מכיוון שהיא גורמת לאובדי אנרגיה.
במתקני חימום דיאלקטרי, דווקא הפסדים אלה מייצגים אפקט שימושי. הפעולה של מתקנים כאלה עם זווית אובדן דלתא = 0 אינה אפשרית.
עבור אלקטרודות מקבילות שטוחות (קבלים שטוחים), ניתן לחשב את ההספק ליחידת נפח של החומר בין האלקטרודות על ידי הנוסחה
Py = 0.555·e daTgdelta,
כאשר f הוא התדר, MHz; Ru - כוח ספוג ספציפי, W / cm3, e - חוזק שדה חשמלי, kv / cm; da = e / do הוא הקבוע הדיאלקטרי היחסי של החומר.
זהו Yההשוואה מראה שהיעילות של חימום דיאלקטרי נקבעת על ידי:
-
פרמטרים של השדה החשמלי שנוצר על ידי המתקן (e ו-f);
-
תכונות חשמליות של חומרים (משיק הפסד דיאלקטרי ו קבוע דיאלקטרי יחסי של החומר).
כפי שמראה ניתוח הנוסחה, יעילות ההתקנה עולה עם הגדלת החוזק והתדירות של השדה החשמלי. בפועל, זה אפשרי רק בגבולות מסוימים.
בתדר הגבוה מ-4-5 מגה-הרץ, היעילות החשמלית של הגנרטור-ממיר בתדר גבוה יורדת בחדות, כך שהשימוש בתדרים גבוהים יותר מתברר כלא משתלם כלכלית.
הערך הגבוה ביותר של חוזק השדה החשמלי נקבע על ידי מה שנקרא חוזק שדה התמוטטות עבור כל סוג ספציפי של חומר מעובד.
כאשר מגיעים לעוצמת שדה ההתמוטטות, ישנה הפרה מקומית של שלמות החומר, או התרחשות של קשת חשמלית בין האלקטרודות לפני השטח של החומר. בהקשר זה, חוזק שדה העבודה חייב להיות תמיד פחות מזה של התמוטטות.
התכונות החשמליות של החומר תלויות לא רק באופיו הפיזי, אלא גם בפרמטרים המשתנים המאפיינים את מצבו - טמפרטורה, לחות, לחץ וכו'.
פרמטרים אלה משתנים במהלך התהליך הטכנולוגי, אשר יש לקחת בחשבון בעת חישוב התקני חימום דיאלקטרי. רק בהתחשבות נכונה של כל הגורמים הללו באינטראקציה ובשינוי ביניהם, ניתן להבטיח שימוש כלכלי וטכנולוגי במכשירי חימום דיאלקטרי בתעשייה.
מכבש דבק בתדר גבוה הוא מכשיר המשתמש בחימום דיאלקטרי, למשל, כדי להאיץ את הדבקת העץ. המכשיר עצמו הוא די מכבש דבק רגיל. עם זאת, יש לו גם אלקטרודות מיוחדות ליצירת שדה חשמלי בתדר גבוה בחלק המיועד להדבקה. השדה במהירות (בתוך כמה עשרות שניות) מעלה את הטמפרטורה של המוצר, בדרך כלל עד 50 - 70 מעלות צלזיוס. זה מאיץ באופן משמעותי את ייבוש הדבק.
בניגוד לחימום בתדר גבוה, חימום במיקרוגל הוא חימום דיאלקטרי בתדר מעל 100 מגה-הרץ, וניתן לפלוט גלים אלקטרומגנטיים מפולט קטן ולכוון אל עצם דרך החלל.
תנורי מיקרוגל מודרניים משתמשים בגלים אלקטרומגנטיים בתדרים גבוהים בהרבה מתנורי חימום בתדר גבוה. מיקרוגלים ביתיים טיפוסיים פועלים בטווח של 2.45 גיגה-הרץ, אך ישנם גם גלי מיקרוגל של 915 מגה-הרץ. המשמעות היא שאורך הגל של גלי הרדיו המשמשים לחימום במיקרוגל הוא מ-0.1 ס"מ ל-10 ס"מ.
יצירת תנודות מיקרוגל בתנורי מיקרוגל מתרחשת עם מגנטונים.
כל מתקן חימום דיאלקטרי מורכב מחולל ממיר תדרים ומכשיר אלקטרו-תרמי - קבל עם לוחות בצורת מיוחד. כי חימום דיאלקטרי דורש תדר גבוה (ממאות קילו-הרץ ועד יחידות מגה-הרץ).
המשימה החשובה ביותר של הטכנולוגיה לחימום חומרים דיאלקטריים עם זרמים בתדר גבוה היא להבטיח את המצב הדרוש במהלך כל תהליך העיבוד. הפתרון לבעיה זו מסובך על ידי העובדה שהתכונות החשמליות של חומרים משתנות במהלך חימום, ייבוש או כתוצאה משינויים אחרים במצב החומר. התוצאה של זה היא הפרה של המשטר התרמי של התהליך ושינוי במצב הפעולה של מחולל המנורה.
לשני הגורמים יש תפקיד משמעותי. לכן, כאשר מפתחים טכנולוגיה לחימום חומרים דיאלקטריים עם זרמים בתדר גבוה, יש ללמוד בקפידה את תכונות החומר המעובד ולנתח את השינוי בתכונות אלו לאורך המחזור הטכנולוגי.
הקבוע הדיאלקטרי של חומר תלוי בתכונות הפיזיקליות שלו, הטמפרטורה, הלחות והפרמטרים של השדה החשמלי. הקבוע הדיאלקטרי יורד בדרך כלל ככל שהחומר מתייבש ובמקרים מסוימים יכול להשתנות עשרות מונים.
עבור רוב החומרים, התלות בתדר של הקבוע הדיאלקטרי פחות בולטת ויש לקחת אותה בחשבון רק במקרים מסוימים. לעור, למשל, תלות זו משמעותית באזור התדר הנמוך, אך ככל שהתדירות עולה, היא הופכת לחסרת משמעות.
כפי שכבר הוזכר, הקבוע הדיאלקטרי של החומרים תלוי בשינוי הטמפרטורה המלווה תמיד בתהליכי ייבוש וחימום.
גם הטנגנס של זווית ההפסדים הדיאלקטריים אינו נשאר קבוע במהלך העיבוד, ויש לכך השפעה משמעותית על מהלך התהליך הטכנולוגי, שכן טנג' הדלתא מאפיין את יכולת החומר לקלוט את האנרגיה של שדה חשמלי מתחלף.
במידה רבה, הטנגנס של זווית ההפסד הדיאלקטרי תלוי בתכולת הלחות של החומר. עבור חומרים מסוימים, הדלתא המשיקת משתנה פי כמה מאות מהערך ההתחלתי שלה עד סוף תהליך העיבוד. כך, למשל, עבור חוט, כאשר הלחות משתנה מ-70 ל-8%, הטנגנס של זווית הספיגה יורד פי 200.
מאפיין חשוב של החומר הוא התמוטטות מתח שדה חשמלי מותר בחומר זה.
העלייה בחוזק הפריצה של השדה החשמלי מגבילה את האפשרות להגדיל את המתח על לוחות הקבלים ובכך קובעת את הגבול העליון של ההספק שניתן להתקין.
עלייה בטמפרטורה ובלחות החומר, כמו גם בתדירות השדה החשמלי, מביאה לירידה בחוזק שדה הפירוק.
על מנת להבטיח מצב טכנולוגי קבוע מראש גם עם שינויים בפרמטרים החשמליים של החומר במהלך תהליך הייבוש, יש צורך להתאים את מצב הפעולה של הגנרטור. בשינוי נכון במצב הפעולה של הגנרטור, ניתן להגיע לתנאים אופטימליים במהלך כל מחזור הפעולה ולהשיג יעילות גבוהה של ההתקנה.
עיצוב המעבה העובד נקבע על פי צורת וגודל החלקים המחוממים, תכונות החומר המחומם, אופי התהליך הטכנולוגי ולבסוף, סוג הייצור.
במקרה הפשוט ביותר, הוא מורכב משתי צלחות שטוחות או יותר מקבילות זו לזו. צלחות יכולות להיות אופקיות ואנכיות. אלקטרודות שטוחות משמשות במתקנים לייבוש עץ מנוסר, אדני, חוטים, הדבקת דיקט.
אחידות חומרי החימום תלויה באחידות פיזור השדה החשמלי בכל נפח החפץ המטופל.
נוכחות של חוסר הומוגניות במבנה החומר, מרווח אוויר משתנה בין האלקטרודה למשטח החיצוני של החלק, נוכחות של מסות מוליכות (מחזיקים, תומכים וכו') ליד האלקטרודות מובילים לפיזור לא אחיד של החשמל. שדה.
לכן, בפועל, נעשה שימוש במגוון רחב של אפשרויות עיצוב עבור קבלי עבודה, שכל אחת מהן מיועדת לתהליך טכנולוגי מסוים.
למתקנים לחימום עם דיאלקטרי בשדה חשמלי בתדר גבוה יש יעילות נמוכה יחסית בעלות גבוהה למדי של הציוד הכלול במתקנים אלו. לכן, השימוש בשיטה כזו יכול להיות מוצדק רק לאחר מחקר מעמיק והשוואה של האינדיקטורים הכלכליים והטכנולוגיים של שיטות חימום שונות.
ממיר תדר נדרש לכל מערכות החימום הדיאלקטרי בתדר גבוה. היעילות הכוללת של ממירים כאלה מוגדרת כיחס בין ההספק המסופק ללוחות הקבלים להספק המתקבל מרשת החשמל.
הערכים של מקדם הפעולה השימושית הם בטווח של 0.4 - 0.8. מידת היעילות תלויה בעומס על ממיר התדרים. ככלל, היעילות הגבוהה ביותר של הממיר מושגת כאשר הוא עמוס בדרך כלל.
האינדיקטורים הטכניים והכלכליים של מתקני חימום דיאלקטרי תלויים באופן משמעותי בעיצוב המכשיר האלקטרו-תרמי. עיצוב שנבחר כהלכה של האחרון מבטיח יעילות גבוהה וגורם זמן מכונה.
ראה גם: