พื้นฐานทางกายภาพของวิธีการให้ความร้อนความถี่สูงของไดอิเล็กตริก (การทำให้แห้งด้วยไดอิเล็กตริก)

ในกระบวนการทางเทคโนโลยีอุตสาหกรรม มักจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่วัสดุที่อยู่ในกลุ่มไดอิเล็กทริกและเซมิคอนดักเตอร์ ตัวแทนทั่วไปของวัสดุดังกล่าว ได้แก่ ยาง ไม้ ผ้า พลาสติก กระดาษ ฯลฯ

สำหรับการทำความร้อนด้วยไฟฟ้าของวัสดุดังกล่าว มีการใช้การติดตั้งที่ใช้ความสามารถของไดอิเล็กตริกและเซมิคอนดักเตอร์ในการยึดเมื่อสัมผัสกับสนามไฟฟ้ากระแสสลับ

ความร้อนเกิดขึ้นเนื่องจากในกรณีนี้ ส่วนหนึ่งของพลังงานของสนามไฟฟ้าจะสูญเสียไปอย่างถาวร และเปลี่ยนเป็นความร้อน (การให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริก)

จากมุมมองทางกายภาพ ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้จากการใช้พลังงานการกระจัด ค่าไฟฟ้า ในอะตอมและโมเลกุลซึ่งเกิดจากการกระทำของสนามไฟฟ้ากระแสสลับ

เนื่องจากความร้อนพร้อมกันของปริมาณทั้งหมดของผลิตภัณฑ์ ความร้อนอิเล็กทริก แนะนำโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการการอบแห้งอย่างสม่ำเสมอและอ่อนโยนโซลูชันนี้เหมาะที่สุดสำหรับการอบแห้งผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อความร้อนในอุตสาหกรรมอาหาร อุตสาหกรรม และการแพทย์เพื่อรักษาคุณสมบัติทั้งหมด

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าผลกระทบของสนามไฟฟ้าบนไดอิเล็กตริกหรือเซมิคอนดักเตอร์เกิดขึ้นได้แม้ในกรณีที่ไม่มีการสัมผัสทางไฟฟ้าโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรดกับวัสดุ จำเป็นเท่านั้นที่วัสดุจะอยู่ในพื้นที่ของสนามไฟฟ้าที่ทำหน้าที่ระหว่างขั้วไฟฟ้า

มีการเสนอการใช้สนามไฟฟ้าความถี่สูงเพื่อทำให้ไดอิเล็กตริกร้อนขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 ตัวอย่างเช่น สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา 2,147,689 (ยื่นต่อ Bell Telephone Laboratories ในปี 1937) ระบุว่า: "สิ่งประดิษฐ์นี้เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ทำความร้อนสำหรับไดอิเล็กทริก และเป้าหมายของการประดิษฐ์นี้คือการให้ความร้อนกับวัสดุดังกล่าวอย่างสม่ำเสมอและพร้อมกันอย่างมาก"

แผนภาพที่ง่ายที่สุดของอุปกรณ์สำหรับการทำความร้อนด้วยอิเล็กทริกในรูปแบบของอิเล็กโทรดแบบแบนสองอันซึ่งใช้แรงดันไฟฟ้าสลับและวัสดุที่ให้ความร้อนอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดจะแสดงในรูป

วงจรความร้อนอิเล็กทริก

แผนภาพที่แสดงคือ ตัวเก็บประจุไฟฟ้าซึ่งวัสดุที่ให้ความร้อนจะทำหน้าที่เป็นฉนวนระหว่างแผ่น

ปริมาณของพลังงานที่ดูดซับโดยวัสดุส่วนประกอบกำลังไฟฟ้าจะถูกกำหนดและพบได้ในอัตราส่วนต่อไปนี้:

P = USe·I Becausephi = USe2·w C tg เดลต้า

โดยที่ UTo — แรงดันไฟฟ้าบนแผ่นของตัวเก็บประจุ C คือความจุของตัวเก็บประจุ tg delta — มุมการสูญเสียอิเล็กทริก

เดลต้าการฉีด (มุมของการสูญเสียไดอิเล็กทริก) มุมเสริม fi สูงสุด 90 ° (fi คือมุมการกระจัดระหว่างส่วนประกอบกำลังไฟฟ้าที่ใช้งานและปฏิกิริยา) และเนื่องจากในอุปกรณ์ทำความร้อนไดอิเล็กทริกทั้งหมด มุมอยู่ใกล้ 90 ° เราจึงสันนิษฐานได้ว่าโคไซน์ พีประมาณเท่ากับแทนเจนต์เดลต้า

สำหรับตัวเก็บประจุแบบไม่สูญเสียในอุดมคติ มุม fi= 90 ° นั่นคือ เวกเตอร์กระแสและแรงดันตั้งฉากร่วมกันและวงจรมี พลังงานปฏิกิริยา.

การมีมุมการสูญเสียไดอิเล็กทริกนอกเหนือจากศูนย์เป็นปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์สำหรับตัวเก็บประจุทั่วไป เนื่องจากทำให้เกิดการสูญเสียพลังงาน

ในการติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบอิเล็กทริกการสูญเสียเหล่านี้เป็นสิ่งที่เป็นประโยชน์ ไม่สามารถดำเนินการติดตั้งดังกล่าวด้วยเดลต้ามุมสูญเสีย = 0

สำหรับอิเล็กโทรดขนานแบบแบน (ตัวเก็บประจุแบบแบน) สามารถคำนวณกำลังต่อหน่วยปริมาตรของวัสดุระหว่างอิเล็กโทรดได้โดยใช้สูตร

Py = 0.555·e daTgdelta,

โดยที่ f คือความถี่ MHz; Ru - พลังงานดูดซับเฉพาะ, W / cm3, e - ความแรงของสนามไฟฟ้า, kv / cm; da = e / do คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของวัสดุ

นี่คือ Yการเปรียบเทียบแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของการให้ความร้อนไดอิเล็กตริกถูกกำหนดโดย:

• พารามิเตอร์ของสนามไฟฟ้าที่เกิดจากการติดตั้ง (e และ f)

• คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุ (แทนเจนต์การสูญเสียอิเล็กทริก และ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสัมพัทธ์ของวัสดุ).

จากการวิเคราะห์สูตรแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของการติดตั้งเพิ่มขึ้นตามความแรงและความถี่ของสนามไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ในทางปฏิบัติ สามารถทำได้ภายในขอบเขตที่กำหนดเท่านั้น

ที่ความถี่สูงกว่า 4-5 MHz ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของตัวแปลงกำเนิดความถี่สูงจะลดลงอย่างรวดเร็ว ดังนั้นการใช้ความถี่ที่สูงขึ้นจึงไม่เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

ค่าสูงสุดของความแรงของสนามไฟฟ้าถูกกำหนดโดยค่าที่เรียกว่า ความแรงของสนามไฟฟ้าสำหรับวัสดุแปรรูปแต่ละประเภท

เมื่อถึงความแรงของสนามการสลาย อาจมีการละเมิดความสมบูรณ์ของวัสดุในพื้นที่ หรือเกิดอาร์คไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าและพื้นผิวของวัสดุ ในเรื่องนี้ความแข็งแกร่งของพื้นที่การทำงานจะต้องน้อยกว่าการพังทลายเสมอ

คุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุไม่เพียงขึ้นอยู่กับลักษณะทางกายภาพเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ตัวแปรที่แสดงสถานะของมันด้วย เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความดัน เป็นต้น

พารามิเตอร์เหล่านี้เปลี่ยนแปลงระหว่างกระบวนการทางเทคโนโลยีซึ่งต้องนำมาพิจารณาเมื่อคำนวณอุปกรณ์ทำความร้อนแบบไดอิเล็กตริก ด้วยการพิจารณาอย่างถูกต้องของปัจจัยเหล่านี้ทั้งหมดในการโต้ตอบและการเปลี่ยนแปลงเท่านั้นจึงจะสามารถรับประกันการใช้อุปกรณ์ทำความร้อนแบบไดอิเล็กทริกในอุตสาหกรรมในเชิงเศรษฐกิจและเทคโนโลยี

เครื่องอัดกาวความถี่สูงเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ความร้อนแบบไดอิเล็กตริก เช่น เพื่อเพิ่มความเร็วในการติดกาวของไม้ ตัวอุปกรณ์นั้นค่อนข้างเป็นแบบกดกาวธรรมดา อย่างไรก็ตาม มันยังมีอิเล็กโทรดพิเศษสำหรับสร้างสนามไฟฟ้าความถี่สูงในส่วนที่จะติดกาว ฟิลด์อย่างรวดเร็ว (ภายในไม่กี่สิบวินาที) เพิ่มอุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ โดยปกติจะสูงถึง 50 — 70 ° C สิ่งนี้จะช่วยเร่งการแห้งของกาวได้อย่างมาก

ซึ่งแตกต่างจากการให้ความร้อนด้วยความถี่สูง การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟเป็นการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกที่มีความถี่สูงกว่า 100 MHz และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถถูกปล่อยออกมาจากอิมิตเตอร์ขนาดเล็กและพุ่งตรงไปยังวัตถุผ่านอวกาศ

เตาไมโครเวฟสมัยใหม่ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่สูงกว่าเครื่องทำความร้อนความถี่สูงมาก ไมโครเวฟตามบ้านทั่วไปทำงานในช่วง 2.45 GHz แต่ก็มีไมโครเวฟ 915 MHz ด้วย ซึ่งหมายความว่าความยาวคลื่นของคลื่นวิทยุที่ใช้ในการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟมีตั้งแต่ 0.1 ซม. ถึง 10 ซม.

เกิดการสั่นของคลื่นไมโครเวฟในเตาอบไมโครเวฟ ด้วยแมกนีตรอน.

การติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบไดอิเล็กทริกแต่ละครั้งประกอบด้วยเครื่องกำเนิดตัวแปลงความถี่และอุปกรณ์ความร้อนไฟฟ้า — ตัวเก็บประจุที่มีแผ่นรูปทรงพิเศษ เนื่องจากการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกต้องใช้ความถี่สูง (ตั้งแต่หลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ไปจนถึงหน่วยเมกะเฮิรตซ์)

งานที่สำคัญที่สุดของเทคโนโลยีในการทำความร้อนวัสดุอิเล็กทริกด้วยกระแสความถี่สูงคือเพื่อให้แน่ใจว่าโหมดที่จำเป็นในระหว่างกระบวนการแปรรูปทั้งหมด การแก้ปัญหา การแก้ปัญหานี้ซับซ้อนเนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุเปลี่ยนแปลงระหว่างการให้ความร้อน การทำให้แห้ง หรือ อันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ในสถานะของวัสดุ ผลที่ตามมาคือการละเมิดระบอบความร้อนของกระบวนการและการเปลี่ยนแปลงโหมดการทำงานของเครื่องกำเนิดหลอดไฟ

ปัจจัยทั้งสองมีบทบาทสำคัญ ดังนั้นเมื่อพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการทำความร้อนวัสดุไดอิเล็กตริกด้วยกระแสความถี่สูง คุณสมบัติของวัสดุที่ผ่านการประมวลผลจะต้องได้รับการศึกษาอย่างรอบคอบและต้องวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเหล่านี้ตลอดวงจรเทคโนโลยี

ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพ อุณหภูมิ ความชื้น และพารามิเตอร์สนามไฟฟ้า ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกมักจะลดลงเมื่อวัสดุแห้ง และในบางกรณีอาจเปลี่ยนแปลงได้หลายสิบครั้ง

สำหรับวัสดุส่วนใหญ่ การพึ่งพาความถี่ของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกจะไม่ค่อยเด่นชัดนัก และควรนำมาพิจารณาในบางกรณีเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สำหรับผิวหนัง การพึ่งพาอาศัยกันนี้มีความสำคัญในย่านความถี่ต่ำ แต่เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การพึ่งพาอาศัยกันนี้จะไม่มีนัยสำคัญ

ดังที่กล่าวไปแล้ว ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่มักมาพร้อมกับกระบวนการทำให้แห้งและให้ความร้อน

แทนเจนต์ของมุมของการสูญเสียไดอิเล็กตริกยังไม่คงที่ในระหว่างการประมวลผล และสิ่งนี้มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อกระบวนการทางเทคโนโลยี เนื่องจากเดลต้าแทนเจนต์แสดงถึงความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงานของสนามไฟฟ้ากระแสสลับ

ในระดับใหญ่ ค่าสัมผัสของมุมสูญเสียไดอิเล็กตริกจะขึ้นอยู่กับความชื้นของวัสดุ สำหรับวัสดุบางชนิด เดลต้าสัมผัสจะเปลี่ยนจากค่าเริ่มต้นหลายร้อยเท่าเมื่อสิ้นสุดกระบวนการตัดเฉือน ตัวอย่างเช่น สำหรับเส้นด้าย เมื่อความชื้นเปลี่ยนจาก 70 เป็น 8% ค่าสัมผัสของมุมการดูดซับจะลดลง 200 เท่า

ลักษณะสำคัญของวัสดุคือ สลายความเครียดสนามไฟฟ้า อนุญาตโดยเนื้อหานี้

การเพิ่มกำลังการสลายของสนามไฟฟ้าจะจำกัดความเป็นไปได้ในการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าบนแผ่นตัวเก็บประจุ และด้วยเหตุนี้จึงกำหนดขีดจำกัดบนของพลังงานที่สามารถติดตั้งได้

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความชื้นของวัสดุ ตลอดจนความถี่ของสนามไฟฟ้า ทำให้ความแรงของสนามการสลายลดลง

เพื่อให้แน่ใจว่าโหมดเทคโนโลยีที่กำหนดไว้ล่วงหน้าแม้ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าของวัสดุในระหว่างกระบวนการทำให้แห้งก็ตาม จำเป็นต้องปรับโหมดการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ด้วยการเปลี่ยนแปลงที่ถูกต้องในโหมดการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เป็นไปได้ที่จะบรรลุสภาวะที่เหมาะสมตลอดวงจรการทำงานทั้งหมด และบรรลุประสิทธิภาพการติดตั้งที่สูง

การออกแบบคอนเดนเซอร์ทำงานนั้นพิจารณาจากรูปร่างและขนาดของชิ้นส่วนที่ให้ความร้อน คุณสมบัติของวัสดุที่ให้ความร้อน ลักษณะของกระบวนการทางเทคโนโลยี และสุดท้ายคือประเภทของการผลิต

ในกรณีที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยแผ่นแบนสองแผ่นหรือมากกว่าที่ขนานกัน แผ่นสามารถเป็นแนวนอนและแนวตั้ง อิเล็กโทรดแบบแบนใช้ในการติดตั้งสำหรับการอบแห้งไม้แปรรูป ไม้หมอน เส้นด้าย ไม้อัดติดกาว

ความสม่ำเสมอของวัสดุทำความร้อนขึ้นอยู่กับความสม่ำเสมอของการกระจายสนามไฟฟ้าตลอดปริมาตรทั้งหมดของวัตถุที่ผ่านการบำบัด

การปรากฏตัวของความไม่สม่ำเสมอในโครงสร้างของวัสดุ, ช่องว่างอากาศที่แปรผันระหว่างอิเล็กโทรดและพื้นผิวด้านนอกของชิ้นส่วน, การปรากฏตัวของมวลนำไฟฟ้า (ตัวยึด, ตัวรองรับ, ฯลฯ ) ใกล้กับอิเล็กโทรดทำให้มีการกระจายไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ สนาม.

ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงใช้ตัวเลือกการออกแบบที่หลากหลายสำหรับตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้ซึ่งแต่ละตัวได้รับการออกแบบมาสำหรับกระบวนการทางเทคโนโลยีบางอย่าง

การติดตั้งเพื่อให้ความร้อนด้วยอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้าความถี่สูงมีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำโดยมีค่าใช้จ่ายสูงสำหรับอุปกรณ์ที่รวมอยู่ในการติดตั้งเหล่านี้ ดังนั้นการใช้วิธีการดังกล่าวสามารถพิสูจน์ได้หลังจากการศึกษาอย่างละเอียดและเปรียบเทียบตัวบ่งชี้ทางเศรษฐกิจและเทคโนโลยีของวิธีการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน

จำเป็นต้องมีตัวแปลงความถี่สำหรับระบบทำความร้อนไดอิเล็กตริกความถี่สูงทั้งหมด ประสิทธิภาพโดยรวมของตัวแปลงดังกล่าวถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของพลังงานที่จ่ายให้กับแผ่นตัวเก็บประจุต่อพลังงานที่ได้รับจากกริดพลังงาน

ค่าสัมประสิทธิ์ของการกระทำที่เป็นประโยชน์อยู่ในช่วง 0.4 - 0.8 จำนวนของประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับโหลดของตัวแปลงความถี่ ตามกฎแล้ว ประสิทธิภาพสูงสุดของตัวแปลงจะทำได้เมื่อโหลดตามปกติ

ตัวบ่งชี้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจของการติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบอิเล็กทริกขึ้นอยู่กับการออกแบบอุปกรณ์ไฟฟ้าความร้อน การออกแบบที่เลือกอย่างเหมาะสมของส่วนหลังทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่สูงและปัจจัยด้านเวลาของเครื่องจักร

ดูสิ่งนี้ด้วย:

ไดอิเล็กตริกในสนามไฟฟ้า

การสูญเสียไดอิเล็กตริกคืออะไรและเกิดจากอะไร

ประเภทหลักของเครื่องทำความร้อนไฟฟ้า