Установки диэлектрического нагрева

 

Установки диэлектрического нагрева подразделяют на два вида: собственно установки диэлектрического нагрева, работающие на высокой частоте (ВЧ-установки — частота 66 кГц — 100 мГц), и установки сверхвысокочастотного нагрева (СВЧ-нагрев—частота 1000 мГц и выше). Последние применяются при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов.

Выбор рабочих параметров установки определяется рядом физических свойств нагреваемого материала.

Одним из условий равномерного нагрева по всему объему однородного материала является превышение глубины проникновения электромагнитной волны в материал над его толщиной. Глубина проникновения (см) определяет расстояние, на котором напряженность электрического поля ослабевает в е раз относительно ее значения на поверхности:

 

Δ = 9,55· 10¹¹f tgδ.                                                                     (2.56)

 

Большинство материалов, нагреваемых в поле конденсаторов, неоднородно по своей структуре. Для материала слоистой структуры, в котором каждый слой отличается от другого значением относительной диэлектрической проницаемости (ε₁ и ε₂) и толщиной (d₁ и d₂), при направлении поля вдоль слоев среднее значение

ε _ср= (ε₁d₁ + ε₂d₂) /(d₁ + d₂).                                                             (2.57)

 

При направлении поля поперек слоев

 

ε_ср= ε₁ε₂ (d₁ + d₂) /(ε₁d₁ + ε₂d₂).                                                       (2.58)

 

При увеличении числа слоев в числителе и знаменателе уравнений (2.57) и (2.58) соответственно увеличивается число слагаемых.

Напряженность электрического поля в конденсаторе также не является постоянной. В простейшем случае, когда материал по своей структуре однороден и отсутствует зазор между ним и пластинами конденсатора, напряжение, приложенное к материалу U_м, равно напряжению, подводимому к рабочему конденсатору U_рк (рис. 2.55., а, в). Напряженность электрического поля в материале для плоского конденсатора (рис. 2.55., а) E_м=U_pк/d_м. Материал в этом случае нагревается равномерно, поскольку удельная мощность выделяется по всему его объему одинаково.

Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис. 2.55,в), то также U_м=U_рк, а напряженность электрического поля в данной точке материала

E_м = U_рк/  ,                                                                       (2.59)

 

где R — расстояние от центра до данной точки.

Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис. 3.55, б, г), то для плоского конденсатора

 

E_м = U/(d + εd_B); E_в = εE_м,                                                           (2.60)

 

для коаксиального конденсатора (рис. 2.63, г)

 

E_м = U / R(ln ; E_в = εE_м,                                             (2.61)

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость данного слоя или ее среднее значение для ряда слоев нагреваемого материала.

 

 

напряженность поля в воздушном зазоре определяется значением пробивной напряженности E_пр.в. При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем E_пр 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 кВ/см, в других процессах нагрева она может достигать 5,0 кВ/см.

Выбрав допустимое значение напряженности поля в материале E_м. , по формулам (3.53) —(3.55) определяют рабочую частоту тока (Гц) при нагреве и сушке материала соответственно:

 

 ;                                                          (2.62)

 

 .                                                           (2.63)

 

В комплект установок диэлектрического нагрева входят высокочастотный генератор; система защиты и сигнализации; технологический узел.

Принципиальная схема высокочастотного генератора на триоде и его эквивалентная схема нагрузки показаны на рис. 2.56. Технологический узел – конденсатор с нагреваемым материалом — включен в колебательный контур.

Полное активное сопротивление контура: R_к = R_н+R₁         (2.64)

Эквивалентное сопротивление контура с учетом потерь

 

R_э = 1 /(ωС_н) ·ω L_к/R_к = L_к/(C_нL_к),                                    (2.67)

где ωL_к/R_к — отношение реактивного и активного сопротивлений, т. е. добротность контура. Эквивалентное сопротивление контура должно соответствовать паспортным данным генератора

 

Рис. 2.55. Схемы рабочих конденсаторов установок диэлектрического нагрева

Рис. 2.56. Схема высокочастотного генератора для диэлектрического нагрева (а) и эквивалентная схема нагрузки (б): Lд – индуктивность дросселя, защищающего выпрямитель от высокой частоты; ЛГ– ламповый генератор; Ср– разделительный конденсатор; Сн – емкость нагревательного конденсатора; Lк – индуктивность колебательного контура; Rн –активное сопротивление нагрузки; R1–активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов.

 

 

. Выходная мощность генератора (Вт)

 

P_г = P₀v_к/η_к,                                                                                      (2.68)

 

где v_к — объем конденсатора, м³; η_к — КПД колебательного контура.

Конструкция технологического узла определяется родом и видом нагреваемого материала. Различные схемы осуществления технологических узлов установок диэлектрического нагрева показаны на рис. 2.57.

Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий и порошкообразных материалов показаны на рис. 2.57, 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. 2.57, в показана схема технологического узла для изготовления изделий из пенопласта. При формировании различных видов изделий исходное сырье помещается в формы, рабочие полости которых повторяют конфигурацию изделия.

Существуют установки диэлектрического нагрева для термообработки пористых резин, предварительного нагрева таблетированных пресс-материалов, нагрева в процессе прессования, термообработки изделий и нагрева перед штамповкой, склеивания термореактивными клеями, обработки сельхозпродуктов и т. д.

Применяемые установки диэлектрического нагрева по рабочим частотам условно подразделяют на установки средневолнового (f=0,3÷3,0МГц), коротковолнового (f=3÷30МГц) и метрового (f=30÷300 МГц) диапазонов.

Первые из них применяются для нагрева материалов с большим фактором потерь εtgδ, к которым относятся очень влажные изделия при их относительно небольших габаритных размерах. Генераторы этих установок имеют сравнительно высокий КПД (0,5—0,6) и выполнены мощностью до нескольких сотен киловатт. Нагрев производится на низких удельных мощностях (р₀=0,01÷1,0 Вт/см³) при длительности нагрева в десятки часов и высоком напряжении на рабочем конденсаторе (10—15 кВ).

Коротковолновые установки применяются для нагрева материалов со средним значением фактора потерь. КПД таких установок 0,4—0,55. Мощность генератора составляет несколько десятков киловатт, объем одновременно нагреваемого материала небольшой. Удельная мощность р_о=1÷100 Вт/см³. Сушка с испарением длится в течение нескольких часов, без испарения — доли часа. Установки удобны для осуществления методического нагрева.

 

Рис.2.57. Схемы технологических узлов установок диэлектрического нагрева

 

Установки метрового диапазона имеют КПД, равный 0,3—0,4. Применяются для нагрева материалов с малым значением ε tgδ. Объем рабочей камеры невелик (р₀ = 0,1÷3 кВт/см³), 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 лучом нагреваемое тело находится под воздействием колебаний, излучаемых рупорной антенной, которой заканчивается волновод. Нагрев в волноводе осуществляется бегущей волной и применяется при термообработке листовых материалов жгутов, лент, жидкостей (рис. 2.57, г). В объемных резонаторах нагреваются предметы произвольной формы.

 

Контрольные вопросы

Виды поляризации

Классификация установок диэлектрического нагрева

Конструкции технологических узлов

    

 2.5. Дуговой нагрев