الأساس المادي لطرق التسخين عالي التردد للعوازل (التجفيف بالعازل)
في العمليات التكنولوجية الصناعية ، غالبًا ما يكون من الضروري تسخين المواد التي تنتمي إلى مجموعة العوازل وأشباه الموصلات. الممثلون النموذجيون لهذه المواد هم أنواع مختلفة من المطاط ، والخشب ، والأقمشة ، والبلاستيك ، والورق ، إلخ.
للتسخين الكهربائي لمثل هذه المواد ، يتم استخدام التركيبات التي تستخدم قدرة العوازل وأشباه الموصلات على الاستيلاء عليها عند تعرضها لمجال كهربائي بديل.
يحدث التسخين لأنه في هذه الحالة يتم فقد جزء من طاقة المجال الكهربائي بشكل لا يمكن إصلاحه ، ويتحول إلى حرارة (تسخين عازل).
من وجهة نظر مادية ، يتم تفسير هذه الظاهرة باستهلاك طاقة الإزاحة الشحنات الكهربائية في الذرات والجزيئات ، والذي يحدث بسبب عمل مجال كهربائي متناوب.
بسبب التسخين المتزامن للحجم الكامل للمنتج تدفئة عازلة موصى به بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب تجفيفًا متساويًا ولطيفًا.هذا الحل هو الأنسب لتجفيف المنتجات الحساسة للحرارة في الصناعات الغذائية والصناعية والطبية للحفاظ على جميع خصائصها.
من المهم ملاحظة أن تأثير المجال الكهربائي على العازل الكهربائي أو أشباه الموصلات يحدث حتى في حالة عدم وجود اتصال كهربائي مباشر بين الأقطاب الكهربائية والمادة. من الضروري فقط أن تكون المادة في منطقة المجال الكهربائي التي تعمل بين الأقطاب الكهربائية.
تم اقتراح استخدام المجالات الكهربائية عالية التردد لتسخين المواد العازلة في الثلاثينيات. على سبيل المثال ، تنص براءة الاختراع الأمريكية رقم 2،147،689 (تم تقديمها إلى شركة Bell Telephone Laboratories في عام 1937) على ما يلي: "يتعلق الاختراع الحالي بجهاز تسخين للعوازل الكهربائية ، والهدف من الاختراع الحالي هو تسخين هذه المواد بشكل موحد ومتزامن بشكل جوهري."
أبسط رسم تخطيطي لجهاز تسخين مع عازل على شكل قطبين مسطّحين يطبق عليهما جهد متناوب ومادة ساخنة موضوعة بين الإلكترودات في الشكل.
دائرة التسخين العازلة
الرسم البياني الموضح هو مكثف كهربائي، حيث تعمل المادة المسخنة كعازل بين الألواح.
يتم تحديد كمية الطاقة التي تمتصها مادة مكون الطاقة النشطة وتوجد بالنسب التالية:
P = USe · I becausephi = USe2 · w C tg delta،
حيث UTo - الجهد على ألواح المكثف ؛ C هي سعة المكثف ؛ tg delta - زاوية فقدان العزل الكهربائي.
دلتا الحقن (زاوية الخسائر العازلة) الزاوية التكميلية حتى 90 درجة (fi هي زاوية الإزاحة بين مكونات الطاقة النشطة والمتفاعلة) وبما أن الزاوية في جميع أجهزة التسخين العازلة تكون قريبة من 90 درجة ، يمكننا أن نفترض أن جيب التمام فاي يساوي تقريبًا دلتا الظل.
بالنسبة لمكثف مثالي بلا خسارة ، فإن الزاوية fi = 90 درجة ، أي أن متجهات التيار والجهد متعامدة بشكل متبادل والدائرة لها قوة رد الفعل.
يعد وجود زاوية فقد عازل غير الصفر ظاهرة غير مرغوب فيها للمكثفات التقليدية لأنه يتسبب في فقد الطاقة.
في تركيبات التسخين العازلة للكهرباء ، فإن هذه الخسائر هي التي تمثل تأثيرًا مفيدًا. لا يمكن تشغيل مثل هذه التركيبات بزاوية خسارة دلتا = 0.
بالنسبة للأقطاب الكهربائية المتوازية المسطحة (المكثف المسطح) ، يمكن حساب الطاقة لكل وحدة حجم للمادة بين الأقطاب الكهربائية بواسطة الصيغة
Py = 0.555 · e daTgdelta ،
حيث f هو التردد ، MHz ؛ Ru - القدرة الممتصة المحددة ، W / cm3 ، شدة المجال الكهربائي ، kv / cm ؛ da = e / do هو ثابت العزل النسبي للمادة.
تشير المقارنة إلى أن كفاءة التسخين العازل تتحدد من خلال:
-
معلمات المجال الكهربائي الناتجة عن التركيب (هـ و و) ؛
-
الخواص الكهربائية للمواد (ظل الخسارة العازلة و ثابت العزل النسبي للمادة).
كما يوضح تحليل الصيغة ، تزداد كفاءة التركيب مع زيادة قوة وتكرار المجال الكهربائي. في الممارسة العملية ، هذا ممكن فقط ضمن حدود معينة.
عند تردد أعلى من 4-5 ميجاهرتز ، تنخفض الكفاءة الكهربائية لمحول المولد عالي التردد بشكل حاد ، وبالتالي فإن استخدام الترددات الأعلى غير مربح اقتصاديًا.
يتم تحديد أعلى قيمة لشدة المجال الكهربائي من خلال ما يسمى شدة مجال الانهيار لكل نوع معين من المواد المعالجة.
عندما يتم الوصول إلى قوة مجال الانهيار ، يكون هناك إما انتهاك محلي لسلامة المادة ، أو حدوث قوس كهربائي بين الأقطاب الكهربائية وسطح المادة. في هذا الصدد ، يجب أن تكون قوة مجال العمل دائمًا أقل من قوة الانهيار.
لا تعتمد الخواص الكهربائية للمادة على طبيعتها الفيزيائية فحسب ، بل تعتمد أيضًا على المعلمات المتغيرة التي تميز حالتها - درجة الحرارة ، والرطوبة ، والضغط ، إلخ.
تتغير هذه المعلمات أثناء العملية التكنولوجية ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار عند حساب أجهزة التسخين العازلة. فقط مع الاعتبار الصحيح لجميع هذه العوامل في تفاعلها وتغييرها ، يمكن ضمان الاستخدام الاقتصادي والتكنولوجي المفيد لأجهزة التسخين العازلة في الصناعة.
مكبس الغراء عالي التردد هو جهاز يستخدم التسخين العازل ، على سبيل المثال ، لتسريع عملية لصق الخشب. الجهاز نفسه عبارة عن مكبس غراء عادي إلى حد كبير. ومع ذلك ، فإنه يحتوي أيضًا على أقطاب كهربائية خاصة لإنشاء مجال كهربائي عالي التردد في الجزء المراد لصقه. يرفع الحقل بسرعة (في غضون بضع عشرات من الثواني) درجة حرارة المنتج ، وعادة ما تصل إلى 50-70 درجة مئوية. وهذا يسرع بشكل كبير من تجفيف الصمغ.
على عكس التسخين عالي التردد ، فإن تسخين الميكروويف هو تسخين عازل بتردد أعلى من 100 ميجاهرتز ، ويمكن أن تنبعث الموجات الكهرومغناطيسية من باعث صغير وتوجيهها إلى كائن عبر الفضاء.
تستخدم أفران الميكروويف الحديثة الموجات الكهرومغناطيسية عند ترددات أعلى بكثير من السخانات عالية التردد. تعمل أفران الميكروويف المنزلية النموذجية في نطاق 2.45 جيجاهرتز ، ولكن هناك أيضًا أجهزة ميكروويف 915 ميجاهرتز. هذا يعني أن الطول الموجي لموجات الراديو المستخدمة في تسخين الميكروويف يتراوح من 0.1 سم إلى 10 سم.
يحدث توليد اهتزازات الميكروويف في أفران الميكروويف مع المغنطرونات.
تتكون كل منشأة تسخين عازلة للكهرباء من مولد محول تردد وجهاز حراري كهربائي - مكثف بألواح ذات تشكيل خاص. لأن التسخين العازل يتطلب ترددًا عاليًا (من مئات الكيلوهرتز إلى وحدات ميغا هرتز).
تتمثل المهمة الأكثر أهمية لتقنية تسخين المواد العازلة للكهرباء بتيارات عالية التردد في ضمان الوضع الضروري أثناء عملية المعالجة بأكملها. إن حل هذه المشكلة معقد بسبب حقيقة أن الخصائص الكهربائية للمواد تتغير أثناء التسخين أو التجفيف أو نتيجة لتغييرات أخرى في حالة المادة. نتيجة هذا انتهاك للنظام الحراري للعملية وتغيير في طريقة تشغيل مولد المصباح.
كلا العاملين يلعبان دورًا مهمًا. لذلك ، عند تطوير تقنية لتسخين المواد العازلة ذات التيارات عالية التردد ، يجب دراسة خصائص المواد المعالجة بعناية ويجب تحليل التغيير في هذه الخصائص طوال الدورة التكنولوجية.
يعتمد ثابت العزل الكهربائي للمادة على خصائصها الفيزيائية ودرجة الحرارة والرطوبة ومعلمات المجال الكهربائي. عادة ما ينخفض ثابت العزل الكهربائي مع جفاف المادة وفي بعض الحالات يمكن أن يتغير عشرات المرات.
بالنسبة لمعظم المواد ، يكون اعتماد التردد على ثابت العزل أقل وضوحًا ويجب أن يؤخذ في الاعتبار فقط في بعض الحالات. بالنسبة للبشرة ، على سبيل المثال ، يكون هذا الاعتماد مهمًا في منطقة التردد المنخفض ، ولكن مع زيادة التردد ، يصبح غير مهم.
كما ذكرنا سابقًا ، يعتمد ثابت العزل الكهربائي للمواد على تغير درجة الحرارة الذي يصاحب دائمًا عمليات التجفيف والتسخين.
كما أن ظل زاوية خسائر العزل الكهربائي لا يظل ثابتًا أثناء المعالجة ، وهذا له تأثير كبير على مسار العملية التكنولوجية ، حيث يميز الظل دلتا قدرة المادة على امتصاص طاقة المجال الكهربائي المتناوب.
يعتمد ظل زاوية فقدان العزل الكهربائي إلى حد كبير على محتوى الرطوبة في المادة. بالنسبة لبعض المواد ، تتغير دلتا الظل عدة مئات من المرات عن قيمتها الأولية بنهاية عملية التصنيع. لذلك ، على سبيل المثال ، بالنسبة للغزل ، عندما تتغير الرطوبة من 70 إلى 8٪ ، يقل ظل زاوية الامتصاص 200 مرة.
السمة الهامة للمادة هي الإجهاد المجال الكهربائي انهيار التي تسمح بها هذه المادة.
تحد الزيادة في قوة انهيار المجال الكهربائي من إمكانية زيادة الجهد على ألواح المكثف وبالتالي تحدد الحد الأعلى للطاقة التي يمكن تركيبها.
تؤدي زيادة درجة حرارة ورطوبة المادة ، وكذلك تواتر المجال الكهربائي ، إلى انخفاض قوة مجال الانهيار.
من أجل ضمان وضع تكنولوجي محدد مسبقًا حتى مع التغييرات في المعلمات الكهربائية للمادة أثناء عملية التجفيف ، من الضروري ضبط وضع تشغيل المولد. من خلال التغيير الصحيح في وضع تشغيل المولد ، من الممكن تحقيق الظروف المثلى خلال دورة التشغيل بأكملها وتحقيق كفاءة عالية للتركيب.
يتم تحديد تصميم مكثف العمل من خلال شكل وحجم الأجزاء المسخنة ، وخصائص المادة المسخنة ، وطبيعة العملية التكنولوجية ، وأخيراً نوع الإنتاج.
في أبسط الحالات ، تتكون من لوحين مستويين أو أكثر موازية لبعضها البعض. يمكن أن تكون اللوحات أفقية ورأسية. تُستخدم الأقطاب الكهربائية المسطحة في التركيبات لتجفيف الأخشاب المنشورة ، والعوارض الخشبية ، والغزول ، ولصق الخشب الرقائقي.
يعتمد توحيد مواد التسخين على توحيد توزيع المجال الكهربائي في جميع أنحاء الحجم الكامل للكائن المعالج.
يؤدي وجود عدم التجانس في بنية المادة ، وجود فجوة هوائية متغيرة بين القطب والسطح الخارجي للجزء ، ووجود كتل موصلة (حوامل ، دعامات ، إلخ) بالقرب من الأقطاب الكهربائية إلى توزيع غير متساوٍ للكهرباء مجال.
لذلك ، من الناحية العملية ، يتم استخدام مجموعة متنوعة من خيارات التصميم لمكثفات العمل ، كل منها مصمم لعملية تكنولوجية معينة.
تتميز تركيبات التدفئة باستخدام عازل في مجال كهربائي عالي التردد بكفاءة منخفضة نسبيًا بتكلفة عالية إلى حد ما للمعدات المضمنة في هذه التركيبات. لذلك ، لا يمكن تبرير استخدام مثل هذه الطريقة إلا بعد دراسة ومقارنة شاملة للمؤشرات الاقتصادية والتكنولوجية لطرق التدفئة المختلفة.
محول التردد مطلوب لجميع أنظمة التسخين العازلة عالية التردد. يتم تعريف الكفاءة الإجمالية لهذه المحولات على أنها نسبة الطاقة المقدمة إلى لوحات المكثف إلى الطاقة المستلمة من شبكة الطاقة.
تتراوح قيم معامل الإجراء المفيد بين 0.4 و 0.8. يعتمد مقدار الكفاءة على الحمل على محول التردد. كقاعدة عامة ، يتم تحقيق أعلى كفاءة للمحول عندما يتم تحميله بشكل طبيعي.
تعتمد المؤشرات الفنية والاقتصادية لتركيبات التدفئة العازلة بشكل كبير على تصميم الجهاز الكهروحراري. يضمن التصميم المختار بشكل صحيح لهذا الأخير كفاءة عالية وعامل وقت الماكينة.
أنظر أيضا: