3.5 Установки діелектричного нагріву

Принцип дії установок діелектричного нагріву базується на перетворенні електричної енергії в теплову в електростатичному полі конденсатора. Якщо діелектричний матеріал, який нагрівають, помістити між обкладками конденсатора, до пластин якого підключено джерело змінного струму, діелектрик буде перетинати електричні силові лінії, періодично змінюючи свій напрямок згідно з частотою джерела. В кожному непровідному матеріалі є діелектричні втрати. Діелектрик складається із диполів, які строго орієнтовані в електричному полі. Якщо поле змінює свій напрямок, то диполі повертаються на 180°, і в результаті тертя частинок речовини виділяється тепло.

Потужність Р (кВт), яка витрачається на нагрівання діелектрика, визначається за виразом

,

де U – напруга на обкладках конденсатора, В;

I – струм у колі конденсатора, А;

– тангенс діелектричних втрат матеріалу діелектрика.

Проводимо відповідні перетворення

,

де f – частота джерела струму, Гц;

C – ємність конденсатора, Ф.

Таким чином, зміни потужності, яка виділяється в конкретному діелектрику, можуть здійснюватися за рахунок зміни C,U, f. Щодо ємності конденсатора

,

де S – площа пластин конденсатора, м²;

d – відстань між пластинами, м;

– діелектрична проникність вакууму, Ф/м;

– відносна діелектрична проникність матеріалу, який нагрівають;

то варіювати значеннями S і d можна, але незначно.

Збільшення напруги U також не забезпечить необхідне зростання потужності, яка виділяється в діелектрику, оскільки воно обмежується можливістю пробою діелектрика, коли напруженість електричного поля Е перевищує значення 10⁵-1,5ּ10⁵ В/м.

За рахунок зміни частоти джерела можна змінити потужність, яка виділяється в діелектрику, у широких межах, при цьому потужність яка виділяється прямо пропорційна частоті джерела.

Потужність, яка виділяється в одиниці об'єму діелектрика, (кВт/м³), враховуючи E = U/d, буде мати значення:

.

tg δ,

tg δ

Рис. 36. Залежність складових фактора втрат від частоти

Добуток називається фактором втрат, складові якого характеризують властивості матеріалу, який нагрівають, і залежать від його виду, вологості, температури, частоти. Залежність складових фактора втрат від частоти показано на рис. 36. Чим більший фактор втрат, тим краще гріється матеріал. Для кожного матеріалу існує так звана релаксаційна частота f_рел, при якій має максимальне значення.

При нагріванні питома потужність (кВт/м³), яка діє на матеріал, характеризується виразом

,

де – густина речовини матеріалу, кг/м³;

с – питома теплоємність матеріалу, Дж/(кгּ^оС);

– швидкість нагрівання матеріалу, град/с;

– термічний к.к.д., який враховує передачу теплоти в оточуюче середовище.

При сушінні матеріалу потужність витрачається на випаровування вологи, тоді отримаємо (кВт/м³)

,

де L– теплота пароутворення при даній температурі, Дж/кг;

– швидкість випаровування, кг/(м³ּс).

Прирівнюючи потужність P₀, яка виділяється в одиниці об'єму матеріалу, до питомої потужності при нагріванні P_нагр чи на сушіння P_вип (залежно від призначення технологічного процесу), отримаємо мінімальне значення частоти джерела.

Для нагрівання діелектриків та напівпровідників використовуються високочастотні лампові генератори, до коливального контуру яких входить робочий конденсатор з матеріалом, який нагрівають. До комплекту установки діелектричного нагріву входить високочастотний генератор, технологічний вузол (конденсатор з матеріалом, який нагрівають), система захисту та сигналізації. Принципову схему установки діелектричного нагрівання представлено на рис. 37. Частота f (Гц) коливального контуру (генератора) визначається за виразом

де L_н– індуктивність контуру, Гн;

С_н – ємність навантаження, Ф.

Рис. 37. Принципова схема установки

діелектричного нагріву

TV – підвищувальний трансформатор;

В – випрямляч; L_p – розподільна індуктивність;

C_p – розподільна ємність;

ЛГ – ламповий генератор;

L –індуктивність коливального контуру;

С_н – ємність нагрівального конденсатора

В процесі термообробки матеріалу змінюється його фактор втрат, тому змінюється і ємність навантаження, отже, режим роботи генератора. Для забезпечення стабільності роботи застосовуються спеціальні схеми узгодження. У залежності від частоти струму розрізняють такі установки діелектричного нагрівання:

• установки середньохвильового діапазону (f = 0,3÷3 МГц), застосовуються для матеріалів з великим фактором втрат, високою вологістю і відносно великою масою; потужність генератора до декількох сотень кіловат, напруга на робочому конденсаторі – 10-15 кВ, питома потужність – частки вату на кубічний сантиметр, час одного циклу – декілька годин, к.к.д. установок 0,6-0,5;

• установки короткохвильового діапазону (f = 3÷30 МГц), потужність генератора становить декілька десятків кіловат, питома потужність – 1-100 Вт/см³, тривалість нагрівання з випаровуванням – декілька годин, без випаровування – частки години, можливе застосування методичного нагрівання, к.к.д. установок 0,55-0,4;

• установки ультракороткохвильового діапазону (f =30÷300 МГц), застосовуються для нагрівання матеріалів з малими втратами, питома потужність 0,1-3 кВт/см³, тривалість нагріву – декілька секунд, к.к.д. установок – 0,4-0,3.

Установки діелектричного нагріву знаходять широке застосування також для зварювання термопластичних плівок, склеювання виробів із деревини, сушіння ливарних стержнів і форм, стерилізації харчових продуктів при консервуванні, дезінфекції та дезінсекції книг, зерна і т.п.

Основні характеристики високочастотного нагрівання для деяких технологічних операцій наведено у табл. 6.

При використанні установок діелектричного нагріву в зв'язку з використанням напівпровідникових перетворювачів має місце генерація вищих гармонік, з чим слід рахуватися при використанні установок середньохвильового діапазону. До того ж робоча частота установок діелектричного нагріву аналогічна частоті трансляційної мережі, тому в конструкції установок передбачають захист від радіоперешкод. Високочастотні коливання установок діелектричного нагріву можуть виявляти біологічний вплив на обслуговуючий персонал та оточуюче середовище, тому потрібний відповідний захист у вигляді захисних екранів, блокувань і т.п.

За надійністю живлення установки діелектричного нагріву відносяться до споживачів другої категорії.

Таблиця 6 Основні характеристики діелектричного нагріву для деяких технологічних операцій

Матеріал	Частота, МГц	Питома потужність, Вт/см3	Напруженість поля, В/см	Обсяг одночасного завантаження	Тривалість нагрівання
Деревина (сушіння)	0,3÷0,75	0,003÷0,05	50÷400	3÷15 м3	8÷30 год
Деревина (склеювання)	0,5÷0,7	0,02÷0,05	400÷700	до 1 м3	10÷20 хв
Ливарні стержні (сушіння)	64÷50	1÷3	200÷800	до 10÷15 кг	2÷20 хв
Деревино-волокниста маса (сушіння)	10÷20	1÷1,5	150÷500	5÷100 кг	5÷30 хв
Вулканізація шин	5÷10	1,4÷5,0	200÷700	10÷30 кг	4÷8 хв
Папір у пачках (сушіння)	20÷30	3÷5	300÷800	10÷500 кг	0,25÷3 год
Прес-порошок (нагрів)	10÷20	2÷4	1500÷2500	0,1÷1 кг	30÷100с
Вініпласт (зварювання)	50÷75	100÷600	1000÷10000	0,1÷0,5 м шва	0,5÷20 с
Пластикат (одночасне зварювання)	35÷75	50÷800	2000÷15000	до 0,5 м шва	0,3÷20 с

Контрольні питання до підрозділу 3.5

1. В чому суть діелектричного нагріву ?

2. Як визначається потужність, що виділяється в діелектрику ?

3. Питома потужність установки діелектричного нагріву, питомі потужності на нагрівання діелектрика і видалення з нього вологи, як визначаються ?

4. Класифікація і показники установок діелектричного нагріву ?

5. В чому суть безпечного використання установок діелектричного нагріву ?