 |
Физические основы диэлектрического нагрева
|
|
|
|
Основой диэлектрического нагрева является быстрое и равномерное выделение теплоты при прохождении тока через диэлектрик или полупроводник, помещенный в переменное электрическое поле. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.
По технологическим признакам установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида. Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сварка пластмасс и полимерных плёнок; обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звука и теплоизоляционных материалов; сушка волокон шерсти или хлопка, целлюлозы.
Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризация клеев, нагрев каучука и т.д.
В установках третьего вида проводятся процессы, не требующее быстрого и однородного нагрева: обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая, размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд.
Использование высокочастотного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве значительную экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования.
Принцип работы диэлектрической установки заключается в следующем. Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну строну, а отрицательные – в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и –q, смещенных друг от друга на расстояние ℓ (рис. 1.26).
|
|
|
Рис.1.26. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле: а – поляризация атомов; б – ориентационная поляризация
Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным. Произведение заряда частиц на смещение ℓ называют электрическим моментом диполя
который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением
где λ - мера упругой деформации молекулы или атома – их поляризуемость.
Различают несколько видов поляризации. Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента (рис. 1.26,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10–14 – 10–15 с. за это же время устанавливается электронная поляризация.
Ионная поляризация молекул вызвана yпpугим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na+ и С1¯ в поваренной соли). Период собственных колебаний решетки составляет 10–12 – 10–13 с. Время упругой ионной поляризации такого же порядка.
Ориентационная поляризация имеет место в диэлектриках с молекулами, представляющими собой жесткие диполи, независимо от наличия внешнего электрического поля. Поляризация проявляется в частичном повороте и упорядочении диполей под влиянием внешнего электрического поля. Это поляризация упругого смещения, возникающая в твердых или жидких диэлектриках, полярные молекулы которых связаны друг с другом так, что под действием электрического поля могут поворачиваться лишь на небольшой угол.
|
|
|
Поляризация диэлектрика происходит не только в постоянном, но и в переменном электрическом поле. В этом случае направление поляризации меняется с частотой поля, упругие диполи вибрируют, жесткие поворачиваются в прямом и обратном направлении. Происходит перемещение зарядов, т.е. через диэлектрик проходит электрический ток. При расположении диэлектрика между обкладками конденсатора, на которое подано напряжение от высокочастотного генератора, цепь тока замкнётся через этот генератор.
Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными трением между молекулами (потери трением) и перемещением диполей (дипольные потери). Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется, в частности, частотой изменения поля. Потери при поляризации приводят к запаздыванию смещения молекул по отношению к внешнему полю. С ростом частоты изменения поля отставание смещения увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты электрического поля из-за вязкости среды привадит к обратному результату - уменьшению поляризации, что ведет к резкому снижению диэлектрической проницаемости вещества. При отсутствии потерь ток опережает напряжение на угол 90о. Если поляризация сопровождается потерями и несколько запаздывает, ток опережает напряженность на угол, меньше 90о. Разность δ – θ (рис.1.27) характеризует потери в диэлектрике и называется углом диэлектрических потерь.
Рис. 1.27. Векторная диаграмма токов в диэлектрике в переменном электрическом поле
Происходящие в диэлектрике, помешенном в переменное электрическое поле, процессы определяются диэлектрической проницаемостью
Вещественная часть комплекса ε' характеризует отношение емкости конденсатора до и после введения в него диэлектрика - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Мнимая часть 
характеризует поглощение энергии поля диэлектрика.
Проходящий через конденсатор с диэлектриком ток имеет две составляющие: ток смещения Iсм = j×ω×C×U и ток проводимости In = g×U. Полный ток, проходящий через диэлектрик
|
|
|
I = In + Iсм = (g + j×j∙ω×C)×U. (1.35)
Отношение тока проводимости к току смещенияния 
также определяет коэффициент потерь в диэлектрике. Показатели ε и tg(δ) зависят от рода и физического состояния вещества (влажность, температура), а также от частоты поля. Их зависимость от частоты поля показана па рис. 1.28. Величина tg(δ) имеет максимум при так называемой релаксационной частоте f0, характерной для каждого материала.
Рис. 1.28. 3ависимость ε и tg(δ) от частоты изменения электрического поля
Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из векторной диаграммы:
P×U×I×cos(φ) ≈ U×I×tg(δ) = ω×C×U2×tg(δ), (1.36)
где, ω = 2∙π·f – угловая скорость, 
;
С – емкость плоского конденсатора, Ф;
(S – площадь пластин конденсатора, м2;
d – расстояние между ними, м;
ε0 = 8,85·10–12 
– диэлектрическая проницаемость вакуума).
Имея в виду, что объем диэлектрика равен S×d и напряженность электрического поля 
, определяем мощность 
, выделяющуюся в единице объема диэлектрика,
Ро = 5,56×10–11×f×Е2×ε×tg(δ). (1.37)
Проводимая удельная мощность Ро расходуется на нагрев материала, испарение влаги или других летучих компонентов. При затратах теплоты только на нагрев удельная мощность, поступающая в материал, должна соответствовать
(1.38)
где СР – удельная теплоёмкость материала 
; γ – плотность материала, 
; 
– скорость нагрева материала, 
; ηt – термический КПД процесса, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.
При затратах теплоты только на испарение
(1.39)
где L – скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, 
; 
– скорость испарения, 
Из анализа уравнений (1.32) и (1.39) следует; что мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяется только его электрическими параметрами ε и tg(δ) и параметрами поля: напряженностью и частотой. Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектрика, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом: диэлектрического нагрева, позволяющего значительно ускорить процесс нагрева материала по сравнению с другими видами нагрева.
|
|
|
Установки диэлектрического нагрева подразделяются на два типа: высокочастотные ВЧ-установки – частота от 66 кГц до 100 МГц и сверхвысокочастотные СВЧ-установки – частота 1000 МГц и выше. Последние установки применяют при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов. Выбор рабочих параметров установки определяется физическими свойствами нагреваемого материала. Одним из условий равномерного нагрева по всему объему однородного материала является превышение глубины проникновения электромагнитной волны в материал под его толщиной. Глубина проникновения Δ (см) определяет расстояние, на котором напряженность электрического поля ослабевает в е раз относительно ее значения на поверхности
.
Большинство материалов, нагреваемых в поле конденсаторов, неоднородно по своей структуре. Для материалов слоистой структуры, в которых каждый слой отличается от другого значением относительной диэлектрической проницаемости (ε1 и ε2) и толщиной (d1 и d2), при направлении поля вдоль слоев среднее значение
. (1.40)
При направлении поля поперек слоев
. (1.41)
При увеличении числа слоев в числителе и знаменателе (1.40) и (1.41) соответственно увеличивается число слагаемых. Напряженность электрического поля в конденсаторе не является также постоянной. В простейшем случае, когда материал по своей структуре однороден и отсутствует зазор между ними и пластинами конденсатора, напряжение, приложенное к материалу UM, равно Напряжению, подводимому к рабочему конденсатору Upк. (рис.1.29. а, в). Напряженность электрического поля в материале плоского конденсатора (рис.1.29, а) 
.
Рис.1.29. Схемы рабочих конденсаторов установок диэлектрического нагрева
Материал в этом случае нагревается равномерно, поскольку удельная мощность выделяется по всему объему одинаково.
Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис.1.29, в), то UM = Uрк, а напряженность электрического поля в заданной точке материала
, (1.42)
где R – расстояние от центра до заданной точки.
Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис.1.29, б, г), то для плоского конденсатора
Для коаксиального конденсатора (рис. 1.30, г)
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость данного слоя или ее среднее значение для ряда слоев нагреваемого материала.
Допустимая напряженность поля в воздушном зазоре определяется величиной пробивной напряженности Епр. При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем Епр большинства нагреваемых материалов. На практике при процессах сушки с выделением водяных паров или других летучих продуктов напряженность поля в воздушном зазоре не должна превышать 1,0-1,5, 
в других процессах нагрева она может достигать 5,0, 
|
|
|
Допустимую напряженность поля в материале Ем доп принимают в два раза меньше пробивной напряженности этого материала 
. Выбрав допустимую величину напряженности поля в материале Ем определяют рабочую частоту тока (Гц) при нагреве и сушке материала соответственно:
(1.43)
(1.44)
В комплект установок диэлектрического нагрева входят высокочастотный генератор, система защиты и сигнализации, технологический узел.
Конструкция технологического узла определяется в основном родом и видом нагреваемого материала. Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий 2 и порошкообразных материалов 4 показаны на рис.1.30, а, б. При диэлектрическом нагреве температура внутри нагреваемого материала выше, чем в поверхностных слоях, с которых происходит удаление влаги. Совместное влияние градиентов давления, влагосодержания и температуры способствует высокой производительности сушки с использованием высокочастотного нагрева. На рис.1.30, в показана схема технологического узла для изготовления изделий 2 из пенопласта. При формировании различных видов изделий исходное сырье помещается в формы, рабочие полости которых повторяют конфигурацию изделия.
Рис. 1.30. Схемы технологических установок: 1 – обкладки конденсаторов;
2 – изделие; 3 – бункер; 4 – материал; 5 – контейнер; 6 – плита, передающая усилие; 7 – пуансон; 8 – поток жидкости; 9 – трубка стеклянная; 10 – трубка резиновая; 11 – волновод; 12 – поток излучения
Существуют установки диэлектрического нагрева для термообработки пористых резин, термообработки деталей и нагрев заготовок перед штамповкой, обработки сельхозпродуктов и т.д. Применяемые установки диэлектрического нагрева по рабочим частотам условно подразделяют на установки средневолнового (f = 0,3-3,0 МГц), коротковолнового (f = 3-30 МГц) и метрового (f = 30-300 МГц) диапазона. Первые из них применяются для нагрева материалов с большим фактором потерь ε tg(δ), к которым относятся очень влажные элементы при их относительно небольших габаритах. Коротковолновые установки применяются для нагрева материалов со средним значением фактора потерь. Они удобны при работе с воздушным зазором и для осуществления методического нагрева. Сушка в них с испарением длится в течение нескольких часов, без испарения - доли часа.
Установки метрового диапазона применяются для нагрева материалов с малым значением фактора потерь ε tg(δ). Объем рабочей камеры невелик, время нагрева - секунды, могут работать с воздушным зазором.
Особенностью установок сверхвысокой частоты является соизмеримость геометрических размеров колебательных систем с длиной волны используемых колебаний. Колебательная система автогенератора объединена с генераторной лампой в один вакуумированный блок. Нагрев в электромагнитном поле осуществляется электромагнитным лучом в волноводе или резонаторе. При нагреве электромагнитным лучом нагреваемое тело находится под воздействием электромагнитного луча, излучаемого рупорной антенной, которой заканчивается волновод. Нагрев в волноводе осуществляется бегущей волной и применяется при термообработке листовых материалов, жгутов, лент, жидкостей (рис.1.30, г). В объемных резонаторах нагреваются предметы произвольной формы.
В установках СВЧ-нагрева напряженность электрического поля меньше, чем в установках метрового диапазона, что снижает опасность электрического пробоя. В таких установках производится нагрев материалов с низким фактором потерь – продуктов, слоистых материалов, медицинских препаратов и т.д.
|
|
|
