Cơ sở vật lý của phương pháp đốt nóng cao tần điện môi (sấy điện môi)
Trong các quy trình công nghệ công nghiệp thường phải nung nóng các vật liệu thuộc nhóm chất điện môi và chất bán dẫn. Đại diện điển hình của các vật liệu này là các loại cao su, gỗ, vải, nhựa, giấy, v.v.
Để đốt nóng bằng điện các vật liệu như vậy, người ta sử dụng các thiết bị sử dụng khả năng thu giữ của chất điện môi và chất bán dẫn khi tiếp xúc với điện trường xoay chiều.
Sự nóng lên xảy ra vì trong trường hợp này, một phần năng lượng của điện trường bị mất đi không thể phục hồi, biến thành nhiệt (sự đốt nóng điện môi).
Từ quan điểm vật lý, hiện tượng này được giải thích bằng sự tiêu thụ năng lượng dịch chuyển sạc điện trong nguyên tử, phân tử do tác dụng của điện trường xoay chiều.
Do làm nóng đồng thời toàn bộ khối lượng của sản phẩm sưởi ấm điện môi đặc biệt được khuyến nghị cho các ứng dụng yêu cầu sấy khô đều và nhẹ nhàng.Giải pháp này phù hợp nhất để sấy khô các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt trong ngành thực phẩm, công nghiệp và y tế để bảo quản tất cả các đặc tính của chúng.
Điều quan trọng cần lưu ý là ảnh hưởng của điện trường lên chất điện môi hoặc chất bán dẫn xảy ra ngay cả khi không có tiếp xúc điện trực tiếp giữa các điện cực và vật liệu. Chỉ cần vật liệu nằm trong vùng điện trường tác dụng giữa các điện cực.
Việc sử dụng điện trường tần số cao để đốt nóng chất điện môi đã được đề xuất vào những năm 1930. Ví dụ: Bằng sáng chế Hoa Kỳ 2.147.689 (được nộp cho Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell năm 1937) nêu rõ: "Sáng chế hiện tại liên quan đến một thiết bị làm nóng chất điện môi và mục tiêu của sáng chế là làm nóng các vật liệu đó một cách đồng đều và đồng thời."
Sơ đồ đơn giản nhất của thiết bị gia nhiệt bằng chất điện môi ở dạng hai điện cực phẳng đặt điện áp xoay chiều và vật liệu nung nóng đặt giữa các điện cực được thể hiện trong hình.
mạch sưởi ấm điện môi
Sơ đồ được hiển thị là tụ điện, trong đó vật liệu được nung nóng hoạt động như một chất cách điện giữa các bản.
Lượng năng lượng được hấp thụ bởi vật liệu thành phần năng lượng hoạt động được xác định và được tìm thấy theo tỷ lệ sau:
P = USe·I dophi = USe2·w C tg delta,
trong đó UTo - điện áp trên các bản của tụ điện; C là điện dung của tụ điện; tg delta - góc tổn thất điện môi.
Góc bổ sung delta (góc tổn thất điện môi) fi lên tới 90 ° (fi là góc dịch chuyển giữa các thành phần công suất tác dụng và phản kháng) và vì trong tất cả các thiết bị gia nhiệt điện môi, góc này gần bằng 90 °, nên chúng ta có thể giả sử rằng cosin phi xấp xỉ bằng delta tiếp tuyến.
Đối với một tụ điện không tổn hao lý tưởng, góc fi= 90°, tức là các vectơ dòng điện và điện áp vuông góc với nhau và mạch có điện áp thuần công suất phản kháng.
Sự hiện diện của một góc tổn thất điện môi khác 0 là một hiện tượng không mong muốn đối với các tụ điện thông thường vì nó gây ra tổn thất năng lượng.
Trong các thiết bị sưởi ấm điện môi, chính những tổn thất này thể hiện tác dụng hữu ích. Hoạt động của các cài đặt như vậy với góc mất delta = 0 là không thể.
Đối với các điện cực phẳng song song (tụ điện phẳng), công suất trên một đơn vị thể tích của vật liệu giữa các điện cực có thể được tính theo công thức
Py = 0,555·e daTgdelta,
trong đó f là tần số, MHz; Ru — công suất hấp thụ riêng, W / cm3, e — cường độ điện trường, kv / cm; da = e/do là hằng số điện môi tương đối của vật liệu.
Đây là YSự so sánh cho thấy hiệu quả của việc đốt nóng điện môi được xác định bởi:
-
các thông số của điện trường do cài đặt tạo ra (e và f);
-
tính chất điện của vật liệu (tiếp tuyến tổn thất điện môi Và hằng số điện môi tương đối của vật liệu).
Như phân tích của công thức cho thấy, hiệu quả của việc cài đặt tăng lên khi tăng cường độ và tần số của điện trường. Trong thực tế, điều này chỉ có thể xảy ra trong một số giới hạn nhất định.
Ở tần số cao hơn 4-5 MHz, hiệu suất điện của bộ chuyển đổi máy phát tần số cao giảm mạnh, do đó việc sử dụng tần số cao hơn hóa ra là không có lợi về mặt kinh tế.
Giá trị cao nhất của cường độ điện trường được xác định bởi cái gọi là cường độ trường đánh thủng đối với từng loại vật liệu được xử lý cụ thể.
Khi đạt đến cường độ của trường đánh thủng, sẽ có sự vi phạm cục bộ tính toàn vẹn của vật liệu hoặc xảy ra hồ quang điện giữa các điện cực và bề mặt của vật liệu. Về vấn đề này, sức mạnh của lĩnh vực làm việc phải luôn nhỏ hơn sức mạnh của sự cố.
Các tính chất điện của vật liệu không chỉ phụ thuộc vào bản chất vật lý của nó mà còn phụ thuộc vào các tham số biến đổi đặc trưng cho trạng thái của nó - nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, v.v.
Các thông số này thay đổi trong quá trình công nghệ, phải được tính đến khi tính toán các thiết bị gia nhiệt bằng điện môi. Chỉ khi xem xét chính xác tất cả các yếu tố này trong sự tương tác và thay đổi của chúng, việc sử dụng các thiết bị gia nhiệt điện môi trong công nghiệp mới có thể được đảm bảo về mặt kinh tế và công nghệ.
Ví dụ, máy ép keo tần số cao là một thiết bị sử dụng hệ thống sưởi điện môi để tăng tốc độ dán gỗ. Bản thân thiết bị này gần giống như một máy ép keo thông thường. Tuy nhiên, nó cũng có các điện cực đặc biệt để tạo ra điện trường tần số cao ở bộ phận cần dán. Trường nhanh chóng (trong vòng vài chục giây) làm tăng nhiệt độ của sản phẩm, thường lên tới 50 — 70 ° C. Điều này làm tăng tốc đáng kể quá trình làm khô keo.
Không giống như sưởi ấm tần số cao, sưởi ấm bằng vi sóng là sưởi ấm điện môi với tần số trên 100 MHz và sóng điện từ có thể được phát ra từ một bộ phát nhỏ và hướng vào một vật thể trong không gian.
Lò vi sóng hiện đại sử dụng sóng điện từ ở tần số cao hơn nhiều so với lò sưởi tần số cao. Lò vi sóng gia đình điển hình hoạt động trong dải 2,45 GHz, nhưng cũng có lò vi sóng 915 MHz. Điều này có nghĩa là bước sóng của sóng vô tuyến được sử dụng trong lò vi sóng là từ 0,1 cm đến 10 cm.
Quá trình tạo ra các dao động vi sóng trong lò vi sóng diễn ra với nam châm.
Mỗi hệ thống sưởi điện môi bao gồm một máy phát biến tần và một thiết bị nhiệt điện - một tụ điện với các tấm có hình dạng đặc biệt. Vì đốt nóng điện môi cần tần số cao (từ hàng trăm kilohertz đến đơn vị megahertz).
Nhiệm vụ quan trọng nhất của công nghệ đốt nóng vật liệu điện môi bằng dòng điện cao tần là đảm bảo chế độ cần thiết trong toàn bộ quá trình xử lý, giải pháp cho vấn đề này rất phức tạp do tính chất điện của vật liệu thay đổi trong quá trình gia nhiệt, sấy khô hoặc do những thay đổi khác về trạng thái của vật liệu. Hậu quả của việc này là vi phạm chế độ nhiệt của quy trình và thay đổi chế độ hoạt động của máy phát đèn.
Cả hai yếu tố đóng một vai trò quan trọng. Vì vậy, khi xây dựng công nghệ đốt nóng vật liệu điện môi bằng dòng điện cao tần phải nghiên cứu kỹ các tính chất của vật liệu xử lý và phải phân tích sự thay đổi các tính chất này trong suốt chu kỳ công nghệ.
Hằng số điện môi của vật liệu phụ thuộc vào tính chất vật lý, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số điện trường. Hằng số điện môi thường giảm khi vật liệu khô và trong một số trường hợp có thể thay đổi hàng chục lần.
Đối với hầu hết các vật liệu, sự phụ thuộc tần số của hằng số điện môi ít rõ rệt hơn và chỉ được tính đến trong một số trường hợp. Ví dụ, đối với da, sự phụ thuộc này là đáng kể ở vùng tần số thấp, nhưng khi tần số tăng lên, nó trở nên không đáng kể.
Như đã đề cập, hằng số điện môi của vật liệu phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ luôn đi kèm với quá trình làm khô và gia nhiệt.
Tiếp tuyến của góc tổn thất điện môi cũng không cố định trong quá trình xử lý và điều này có tác động đáng kể đến quá trình công nghệ, vì tiếp tuyến delta đặc trưng cho khả năng vật liệu hấp thụ năng lượng của điện trường xoay chiều.
Ở một mức độ lớn, tiếp tuyến của góc tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu. Đối với một số vật liệu, delta tiếp tuyến thay đổi vài trăm lần so với giá trị ban đầu của nó khi kết thúc quá trình gia công. Vì vậy, ví dụ, đối với sợi, khi độ ẩm thay đổi từ 70 đến 8%, tiếp tuyến của góc hấp thụ giảm 200 lần.
Một đặc tính quan trọng của vật liệu là sự cố ứng suất điện trường cho phép bởi tài liệu này.
Sự gia tăng cường độ đánh thủng của điện trường hạn chế khả năng tăng điện áp trên các bản tụ điện và do đó xác định giới hạn trên của công suất có thể được cài đặt.
Sự gia tăng nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu, cũng như tần số của điện trường, dẫn đến giảm cường độ của trường sự cố.
Để đảm bảo chế độ công nghệ đã định trước ngay cả khi có sự thay đổi về thông số điện của vật liệu trong quá trình sấy, cần phải điều chỉnh chế độ vận hành của máy phát điện. Với sự thay đổi chính xác trong chế độ vận hành của máy phát, có thể đạt được các điều kiện tối ưu trong toàn bộ chu kỳ vận hành và đạt được hiệu quả lắp đặt cao.
Thiết kế của bình ngưng làm việc được xác định bởi hình dạng và kích thước của các bộ phận được gia nhiệt, tính chất của vật liệu được gia nhiệt, bản chất của quy trình công nghệ và cuối cùng là loại hình sản xuất.
Trong trường hợp đơn giản nhất, nó bao gồm hai hoặc nhiều tấm phẳng song song với nhau. Các tấm có thể nằm ngang và dọc. Các điện cực phẳng được sử dụng trong lắp đặt để sấy gỗ xẻ, tà vẹt, sợi, dán ván ép.
Tính đồng nhất của vật liệu gia nhiệt phụ thuộc vào tính đồng nhất của sự phân bố điện trường trong toàn bộ thể tích của vật được xử lý.
Sự hiện diện của tính không đồng nhất trong cấu trúc của vật liệu, khe hở không khí thay đổi giữa điện cực và bề mặt bên ngoài của bộ phận, sự hiện diện của các khối dẫn điện (giá đỡ, giá đỡ, v.v.) gần các điện cực dẫn đến sự phân bố điện không đồng đều cánh đồng.
Do đó, trong thực tế, rất nhiều phương án thiết kế tụ điện làm việc được sử dụng, mỗi phương án được thiết kế cho một quy trình công nghệ nhất định.
Việc lắp đặt để sưởi ấm bằng chất điện môi trong điện trường tần số cao có hiệu suất tương đối thấp với chi phí khá cao của thiết bị bao gồm trong các cài đặt này. Do đó, việc sử dụng một phương pháp như vậy chỉ có thể được chứng minh sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng và so sánh các chỉ số kinh tế và công nghệ của các phương pháp sưởi ấm khác nhau.
Một bộ chuyển đổi tần số là cần thiết cho tất cả các hệ thống sưởi điện môi tần số cao. Hiệu suất tổng thể của các bộ chuyển đổi như vậy được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất cung cấp cho các bản tụ điện với công suất nhận được từ lưới điện.
Các giá trị của hệ số hành động hữu ích nằm trong khoảng 0,4 - 0,8. Lượng hiệu quả phụ thuộc vào tải trên bộ biến tần. Theo quy định, hiệu suất cao nhất của bộ chuyển đổi đạt được khi nó được tải bình thường.
Các chỉ số kỹ thuật và kinh tế của việc lắp đặt hệ thống sưởi điện môi phụ thuộc đáng kể vào thiết kế của thiết bị nhiệt điện. Thiết kế sau được lựa chọn phù hợp đảm bảo hiệu quả cao và yếu tố thời gian của máy.
Xem thêm: