Dasar fisik metode untuk pemanasan dielektrik frekuensi tinggi (pengeringan dielektrik)
Dalam proses teknologi industri, seringkali perlu memanaskan bahan yang termasuk dalam kelompok dielektrik dan semikonduktor. Perwakilan khas dari bahan tersebut adalah berbagai jenis karet, kayu, kain, plastik, kertas, dll.
Untuk pemanasan listrik dari bahan semacam itu, digunakan instalasi yang menggunakan kemampuan dielektrik dan semikonduktor untuk menangkap saat terkena medan listrik bolak-balik.
Pemanasan terjadi karena dalam hal ini sebagian energi medan listrik hilang secara permanen, berubah menjadi panas (pemanasan dielektrik).
Dari segi fisik, fenomena ini dijelaskan dengan konsumsi energi perpindahan muatan listrik dalam atom dan molekul, yang disebabkan oleh aksi medan listrik bolak-balik.
Karena pemanasan simultan dari seluruh volume produk pemanasan dielektrik terutama direkomendasikan untuk aplikasi yang membutuhkan pengeringan yang merata dan lembut.Solusi ini paling cocok untuk mengeringkan produk yang peka terhadap panas di industri makanan, industri, dan medis untuk mempertahankan semua propertinya.
Penting untuk dicatat bahwa efek medan listrik pada dielektrik atau semikonduktor terjadi bahkan tanpa adanya kontak listrik langsung antara elektroda dan material. Bahan hanya perlu berada di area medan listrik yang bekerja di antara elektroda.
Penggunaan medan listrik frekuensi tinggi untuk memanaskan dielektrik diusulkan pada tahun 1930-an. Sebagai contoh, US Patent 2.147.689 (diajukan ke Bell Telephone Laboratories pada tahun 1937) menyatakan: "Penemuan ini berhubungan dengan alat pemanas untuk dielektrik, dan tujuan penemuan ini adalah untuk memanaskan bahan-bahan tersebut secara seragam dan secara substansial secara simultan."
Diagram paling sederhana dari perangkat untuk memanaskan dengan dielektrik dalam bentuk dua elektroda datar yang diberi tegangan bolak-balik dan bahan yang dipanaskan ditempatkan di antara elektroda ditunjukkan pada gambar.
Sirkuit pemanas dielektrik
Diagram yang ditampilkan adalah kapasitor listrik, di mana bahan yang dipanaskan bertindak sebagai isolator di antara pelat.
Jumlah energi yang diserap oleh bahan komponen daya aktif ditentukan dan ditemukan dalam rasio berikut:
P = USe·I becausephi = USe2·w C tg delta,
dimana UTo — tegangan pada pelat kapasitor; C adalah kapasitansi kapasitor; tg delta — sudut kehilangan dielektrik.
Delta injeksi (sudut kerugian dielektrik) sudut pelengkap fi hingga 90 ° (fi adalah sudut perpindahan antara komponen daya aktif dan reaktif) dan karena di semua perangkat pemanas dielektrik sudutnya mendekati 90 °, kita dapat mengasumsikan bahwa kosinus phi kira-kira sama dengan tangen delta.
Untuk kapasitor lossless yang ideal, sudut fi= 90 °, yaitu vektor arus dan tegangan saling tegak lurus dan rangkaian memiliki murni daya reaktif.
Kehadiran sudut kerugian dielektrik selain nol merupakan fenomena yang tidak diinginkan untuk kapasitor konvensional karena menyebabkan kerugian energi.
Dalam instalasi pemanas dielektrik, kerugian inilah yang menunjukkan efek yang bermanfaat. Pengoperasian instalasi seperti itu dengan sudut kehilangan delta = 0 tidak dimungkinkan.
Untuk elektroda paralel datar (kapasitor datar), daya per satuan volume bahan antara elektroda dapat dihitung dengan rumus
Py = 0,555·e daTgdelta,
di mana f adalah frekuensi, MHz; Ru — daya serap spesifik, W / cm3, e — kekuatan medan listrik, kv / cm; da = e / do adalah konstanta dielektrik relatif bahan.
Ini YPerbandingan menunjukkan bahwa efisiensi pemanasan dielektrik ditentukan oleh:
-
parameter medan listrik yang dihasilkan oleh instalasi (e dan f);
-
sifat kelistrikan bahan (tangen kerugian dielektrik Dan konstanta dielektrik relatif bahan).
Seperti yang ditunjukkan oleh analisis rumus, efisiensi instalasi meningkat dengan meningkatnya kekuatan dan frekuensi medan listrik. Dalam praktiknya, ini hanya mungkin dalam batas-batas tertentu.
Pada frekuensi yang lebih tinggi dari 4-5 MHz, efisiensi listrik konverter-generator frekuensi tinggi menurun tajam, sehingga penggunaan frekuensi yang lebih tinggi ternyata tidak menguntungkan secara ekonomi.
Nilai tertinggi dari kekuatan medan listrik ditentukan oleh kekuatan medan tembus yang disebut untuk setiap jenis bahan olahan tertentu.
Ketika kekuatan medan tembus tercapai, ada pelanggaran lokal terhadap integritas material, atau terjadinya busur listrik antara elektroda dan permukaan material. Dalam hal ini, kekuatan bidang kerja harus selalu lebih kecil dari pada kerusakan.
Sifat listrik material tidak hanya bergantung pada sifat fisiknya, tetapi juga pada parameter variabel yang mencirikan keadaannya - suhu, kelembaban, tekanan, dll.
Parameter ini berubah selama proses teknologi, yang harus diperhitungkan saat menghitung perangkat pemanas dielektrik. Hanya dengan pertimbangan yang benar dari semua faktor ini dalam interaksi dan perubahannya, penggunaan perangkat pemanas dielektrik yang menguntungkan secara ekonomi dan teknologi dalam industri dapat dipastikan.
Penekan lem frekuensi tinggi adalah perangkat yang menggunakan pemanasan dielektrik, misalnya, untuk mempercepat perekatan kayu. Perangkat itu sendiri adalah lem biasa. Namun, ia juga memiliki elektroda khusus untuk menciptakan medan listrik frekuensi tinggi pada bagian yang akan direkatkan. Bidang dengan cepat (dalam beberapa puluh detik) menaikkan suhu produk, biasanya hingga 50-70 ° C. Ini secara signifikan mempercepat pengeringan lem.
Tidak seperti pemanasan frekuensi tinggi, pemanasan gelombang mikro adalah pemanasan dielektrik dengan frekuensi di atas 100 MHz, dan gelombang elektromagnetik dapat dipancarkan dari emitor kecil dan diarahkan ke objek melalui ruang angkasa.
Oven microwave modern menggunakan gelombang elektromagnetik pada frekuensi yang jauh lebih tinggi daripada pemanas frekuensi tinggi. Gelombang mikro rumah biasa beroperasi pada kisaran 2,45 GHz, tetapi ada juga gelombang mikro 915 MHz. Artinya, panjang gelombang gelombang radio yang digunakan dalam pemanasan gelombang mikro adalah dari 0,1 cm hingga 10 cm.
Pembangkitan osilasi gelombang mikro dalam oven gelombang mikro terjadi dengan magnetron.
Setiap instalasi pemanas dielektrik terdiri dari generator konverter frekuensi dan perangkat elektrotermal — sebuah kapasitor dengan pelat berbentuk khusus. Karena pemanasan dielektrik membutuhkan frekuensi tinggi (dari ratusan kilohertz hingga satuan megahertz).
Tugas terpenting dari teknologi untuk memanaskan bahan dielektrik dengan arus frekuensi tinggi adalah memastikan mode yang diperlukan selama keseluruhan proses pemrosesan Solusi untuk masalah ini diperumit oleh fakta bahwa sifat listrik bahan berubah selama pemanasan, pengeringan atau sebagai akibat dari perubahan lain dalam keadaan material. Konsekuensinya adalah pelanggaran rezim termal proses dan perubahan mode operasi generator lampu.
Kedua faktor tersebut memainkan peran penting. Oleh karena itu, ketika mengembangkan teknologi untuk memanaskan bahan dielektrik dengan arus frekuensi tinggi, sifat bahan yang diproses harus dipelajari dengan cermat dan perubahan sifat ini harus dianalisis sepanjang siklus teknologi.
Konstanta dielektrik suatu material tergantung pada sifat fisik, suhu, kelembaban, dan parameter medan listriknya. Konstanta dielektrik biasanya berkurang saat bahan mengering dan dalam beberapa kasus dapat berubah puluhan kali.
Untuk sebagian besar bahan, ketergantungan frekuensi konstanta dielektrik kurang jelas dan harus diperhitungkan hanya dalam beberapa kasus. Untuk kulit, misalnya, ketergantungan ini signifikan di wilayah frekuensi rendah, tetapi dengan meningkatnya frekuensi menjadi tidak signifikan.
Seperti yang telah disebutkan, konstanta dielektrik bahan bergantung pada perubahan suhu yang selalu menyertai proses pengeringan dan pemanasan.
Garis singgung sudut kerugian dielektrik juga tidak tetap konstan selama pemrosesan, dan ini berdampak signifikan pada jalannya proses teknologi, karena garis singgung delta mencirikan kemampuan material untuk menyerap energi medan listrik bolak-balik.
Untuk sebagian besar, garis singgung dari sudut kehilangan dielektrik tergantung pada kadar air bahan. Untuk beberapa bahan, delta tangen berubah beberapa ratus kali lipat dari nilai awalnya pada akhir proses pemesinan. Jadi, misalnya untuk benang, ketika kelembapan berubah dari 70 menjadi 8%, garis singgung sudut serap berkurang 200 kali lipat.
Karakteristik penting dari bahan tersebut adalah gangguan tegangan medan listrik diizinkan oleh bahan ini.
Peningkatan kekuatan tembus medan listrik membatasi kemungkinan peningkatan tegangan pada pelat kapasitor dan dengan demikian menentukan batas atas daya yang dapat dipasang.
Peningkatan suhu dan kelembaban material, serta frekuensi medan listrik, menyebabkan penurunan kekuatan medan tembus.
Untuk memastikan mode teknologi yang telah ditentukan bahkan dengan perubahan parameter listrik material selama proses pengeringan, mode operasi generator perlu disesuaikan. Dengan perubahan yang benar dalam mode pengoperasian generator, dimungkinkan untuk mencapai kondisi optimal selama seluruh siklus pengoperasian dan mencapai efisiensi pemasangan yang tinggi.
Desain kondensor kerja ditentukan oleh bentuk dan ukuran bagian yang dipanaskan, sifat bahan yang dipanaskan, sifat proses teknologi dan, akhirnya, jenis produksinya.
Dalam kasus paling sederhana, itu terdiri dari dua atau lebih pelat datar yang sejajar satu sama lain. Pelat bisa horizontal dan vertikal. Elektroda datar digunakan dalam instalasi untuk mengeringkan kayu gergajian, bantalan tidur, benang, menempelkan kayu lapis.
Keseragaman bahan pemanas tergantung pada keseragaman distribusi medan listrik di seluruh volume objek yang dirawat.
Kehadiran ketidakhomogenan dalam struktur material, celah udara variabel antara elektroda dan permukaan luar bagian, adanya massa konduktif (pemegang, penyangga, dll.) Di dekat elektroda menyebabkan distribusi listrik yang tidak merata. bidang.
Oleh karena itu, dalam praktiknya, berbagai pilihan desain untuk kapasitor kerja digunakan, yang masing-masing dirancang untuk proses teknologi tertentu.
Instalasi untuk pemanasan dengan dielektrik dalam medan listrik frekuensi tinggi memiliki efisiensi yang relatif rendah dengan biaya peralatan yang agak tinggi yang termasuk dalam instalasi ini. Oleh karena itu, penggunaan metode semacam itu hanya dapat dibenarkan setelah studi menyeluruh dan perbandingan indikator ekonomi dan teknologi dari metode pemanasan yang berbeda.
Konverter frekuensi diperlukan untuk semua sistem pemanas dielektrik frekuensi tinggi. Efisiensi keseluruhan dari konverter tersebut didefinisikan sebagai rasio daya yang disuplai ke pelat kapasitor dengan daya yang diterima dari jaringan listrik.
Nilai koefisien tindakan yang bermanfaat berkisar antara 0,4 - 0,8. Jumlah efisiensi tergantung pada beban pada konverter frekuensi. Sebagai aturan, efisiensi konverter tertinggi dicapai saat dimuat secara normal.
Indikator teknis dan ekonomi instalasi pemanas dielektrik sangat bergantung pada desain perangkat elektrotermal. Desain yang dipilih dengan benar dari yang terakhir memastikan efisiensi tinggi dan faktor waktu alat berat.
Lihat juga:
Dielektrik dalam medan listrik