Base física de métodos para aquecimento de alta frequência de dielétricos (secagem dielétrica)
Em processos tecnológicos industriais, muitas vezes é necessário aquecer materiais pertencentes ao grupo dos dielétricos e semicondutores. Representantes típicos de tais materiais são vários tipos de borracha, madeira, tecidos, plásticos, papel, etc.
Para o aquecimento elétrico de tais materiais, são utilizadas instalações que utilizam a capacidade de dielétricos e semicondutores de apreender quando expostos a um campo elétrico alternado.
O aquecimento ocorre porque neste caso parte da energia do campo elétrico é irremediavelmente perdida, transformando-se em calor (aquecimento dielétrico).
Do ponto de vista físico, esse fenômeno é explicado pelo consumo de energia de deslocamento cargas elétricas em átomos e moléculas, causada pela ação de um campo elétrico alternado.
Devido ao aquecimento simultâneo de todo o volume do produto aquecimento dielétrico especialmente recomendado para aplicações que requerem uma secagem uniforme e suave.Esta solução é mais adequada para a secagem de produtos sensíveis ao calor nas indústrias alimentícia, industrial e médica para preservar todas as suas propriedades.
É importante observar que o efeito de um campo elétrico em um dielétrico ou semicondutor ocorre mesmo na ausência de contato elétrico direto entre os eletrodos e o material. É necessário apenas que o material esteja na área do campo elétrico atuando entre os eletrodos.
O uso de campos elétricos de alta frequência para aquecer dielétricos foi proposto na década de 1930. Por exemplo, a Patente US 2.147.689 (arquivada no Bell Telephone Laboratories em 1937) afirma: "A presente invenção refere-se a um dispositivo de aquecimento para dielétricos, e o objetivo da presente invenção é aquecer esses materiais de maneira uniforme e substancialmente simultânea."
O diagrama mais simples de um dispositivo de aquecimento com um dielétrico na forma de dois eletrodos planos aos quais é aplicada uma tensão alternada e um material aquecido colocado entre os eletrodos é mostrado na figura.
Circuito de aquecimento dielétrico
O diagrama mostrado é capacitor elétrico, em que o material aquecido atua como um isolante entre as placas.
A quantidade de energia absorvida pelo material do componente de potência ativa é determinada e encontrada na seguinte proporção:
P = USe·I porquephi = USe2·w C tg delta,
onde UTo — tensão nas placas do capacitor; C é a capacitância do capacitor; tg delta — ângulo de perda dielétrica.
Delta de injeção (ângulo de perdas dielétricas) ângulo complementar fi até 90 ° (fi é o ângulo de deslocamento entre os componentes de potência ativa e reativa) e como em todos os dispositivos de aquecimento dielétrico o ângulo é próximo a 90 °, podemos supor que o cosseno phi aproximadamente igual à tangente delta.
Para um capacitor sem perdas ideal, o ângulo fi = 90 °, ou seja, os vetores de corrente e tensão são mutuamente perpendiculares e o circuito tem uma potência reativa.
A presença de um ângulo de perda dielétrica diferente de zero é um fenômeno indesejável para capacitores convencionais, pois causa perdas de energia.
Nas instalações de aquecimento dielétrico, são precisamente essas perdas que representam um efeito útil. A operação de tais instalações com ângulo de perda delta = 0 não é possível.
Para eletrodos paralelos planos (capacitor plano), a potência por unidade de volume do material entre os eletrodos pode ser calculada pela fórmula
Py = 0,555·e daTgdelta,
onde f é a frequência, MHz; Ru — potência específica absorvida, W / cm3, e — intensidade do campo elétrico, kv / cm; da = e / do é a constante dielétrica relativa do material.
Este é YA comparação mostra que a eficiência do aquecimento dielétrico é determinada por:
-
parâmetros do campo elétrico gerado pela instalação (e e f);
-
propriedades elétricas dos materiais (tangente de perda dielétrica e constante dielétrica relativa do material).
Como mostra a análise da fórmula, a eficiência da instalação aumenta com o aumento da força e frequência do campo elétrico. Na prática, isso só é possível dentro de certos limites.
Em uma frequência superior a 4-5 MHz, a eficiência elétrica do conversor gerador de alta frequência diminui drasticamente, de modo que o uso de frequências mais altas acaba sendo economicamente inútil.
O valor mais alto da força do campo elétrico é determinado pela chamada força do campo de ruptura para cada tipo específico de material processado.
Quando a força do campo de ruptura é atingida, ocorre uma violação local da integridade do material ou a ocorrência de um arco elétrico entre os eletrodos e a superfície do material. A este respeito, a força do campo de trabalho deve ser sempre menor que a do colapso.
As propriedades elétricas do material dependem não apenas de sua natureza física, mas também dos parâmetros variáveis que caracterizam seu estado – temperatura, umidade, pressão, etc.
Esses parâmetros mudam durante o processo tecnológico, o que deve ser levado em consideração no cálculo dos dispositivos de aquecimento dielétrico. Somente com a consideração correta de todos esses fatores em sua interação e mudança, o uso econômico e tecnologicamente vantajoso de dispositivos de aquecimento dielétrico na indústria pode ser garantido.
Uma prensa de cola de alta frequência é um dispositivo que utiliza aquecimento dielétrico, por exemplo, para acelerar a colagem de madeira. O dispositivo em si é praticamente uma prensa de cola comum. Porém, também possui eletrodos especiais para criar um campo elétrico de alta frequência na peça a ser colada. O campo aumenta rapidamente (em algumas dezenas de segundos) a temperatura do produto, geralmente de 50 a 70 ° C. Isso acelera significativamente a secagem da cola.
Ao contrário do aquecimento de alta frequência, o aquecimento por micro-ondas é um aquecimento dielétrico com frequência acima de 100 MHz, e ondas eletromagnéticas podem ser emitidas de um pequeno emissor e direcionadas a um objeto através do espaço.
Os fornos de micro-ondas modernos usam ondas eletromagnéticas em frequências muito mais altas do que os aquecedores de alta frequência. As micro-ondas domésticas típicas operam na faixa de 2,45 GHz, mas também existem micro-ondas de 915 MHz. Isso significa que o comprimento de onda das ondas de rádio usadas no aquecimento por micro-ondas é de 0,1 cm a 10 cm.
A geração de oscilações de micro-ondas em fornos de micro-ondas ocorre com magnetrons.
Cada instalação de aquecimento dielétrico consiste em um gerador conversor de frequência e um dispositivo eletrotérmico - um capacitor com placas de formato especial. Porque o aquecimento dielétrico requer uma alta frequência (de centenas de quilohertz a unidades de megahertz).
A tarefa mais importante da tecnologia de aquecimento de materiais dielétricos com correntes de alta frequência é garantir o modo necessário durante todo o processo de processamento. A solução para esse problema é complicada pelo fato de que as propriedades elétricas dos materiais mudam durante o aquecimento, secagem ou em resultado de outras alterações no estado do material. A consequência disso é uma violação do regime térmico do processo e uma mudança no modo de operação do gerador de lâmpadas.
Ambos os fatores desempenham um papel significativo. Portanto, ao desenvolver uma tecnologia de aquecimento de materiais dielétricos com correntes de alta frequência, as propriedades do material processado devem ser cuidadosamente estudadas e a mudança dessas propriedades deve ser analisada ao longo do ciclo tecnológico.
A constante dielétrica de um material depende de suas propriedades físicas, temperatura, umidade e parâmetros do campo elétrico. A constante dielétrica geralmente diminui à medida que o material seca e, em alguns casos, pode mudar dezenas de vezes.
Para a maioria dos materiais, a dependência da frequência da constante dielétrica é menos pronunciada e deve ser levada em consideração apenas em alguns casos. Para a pele, por exemplo, essa dependência é significativa na região de baixa frequência, mas à medida que a frequência aumenta, torna-se insignificante.
Como já mencionado, a constante dielétrica dos materiais depende da mudança de temperatura que sempre acompanha os processos de secagem e aquecimento.
A tangente do ângulo das perdas dielétricas também não permanece constante durante o processamento, e isso tem um impacto significativo no decorrer do processo tecnológico, pois a tangente delta caracteriza a capacidade do material de absorver a energia de um campo elétrico alternado.
Em grande parte, a tangente do ângulo de perda dielétrica depende do teor de umidade do material. Para alguns materiais, a tangente delta muda várias centenas de vezes em relação ao seu valor inicial no final do processo de usinagem. Assim, por exemplo, para fios, quando a umidade muda de 70 para 8%, a tangente do ângulo de absorção diminui 200 vezes.
Uma característica importante do material é tensão de campo elétrico de ruptura permitida por este material.
O aumento da força de ruptura do campo elétrico limita a possibilidade de aumentar a tensão nas placas do capacitor e, assim, determina o limite superior da potência que pode ser instalada.
Um aumento na temperatura e umidade do material, bem como na frequência do campo elétrico, leva a uma diminuição na força do campo de ruptura.
Para garantir um modo tecnológico predeterminado mesmo com alterações nos parâmetros elétricos do material durante o processo de secagem, é necessário ajustar o modo de operação do gerador. Com a alteração correta do modo de operação do gerador, é possível obter condições ótimas durante todo o ciclo operacional e obter alta eficiência da instalação.
O design do condensador de trabalho é determinado pela forma e tamanho das partes aquecidas, pelas propriedades do material aquecido, pela natureza do processo tecnológico e, finalmente, pelo tipo de produção.
No caso mais simples, consiste em duas ou mais placas planas paralelas entre si. As placas podem ser horizontais e verticais. Os eletrodos planos são utilizados em instalações para secagem de madeira serrada, dormentes, fios, colagem de compensados.
A uniformidade dos materiais de aquecimento depende da uniformidade da distribuição do campo elétrico em todo o volume do objeto tratado.
A presença de não homogeneidade na estrutura do material, um entreferro variável entre o eletrodo e a superfície externa da peça, a presença de massas condutoras (suportes, suportes, etc.) próximas aos eletrodos levam a uma distribuição desigual da carga elétrica campo.
Portanto, na prática, são utilizadas uma ampla variedade de opções de design para capacitores de trabalho, cada uma delas projetada para um determinado processo tecnológico.
As instalações para aquecimento com dielétrico em campo elétrico de alta frequência têm uma eficiência relativamente baixa a um custo bastante alto dos equipamentos incluídos nessas instalações. Portanto, o uso de tal método só pode ser justificado após um estudo minucioso e comparação dos indicadores econômicos e tecnológicos de diferentes métodos de aquecimento.
Um conversor de frequência é necessário para todos os sistemas de aquecimento dielétrico de alta frequência. A eficiência geral desses conversores é definida como a razão entre a potência fornecida às placas do capacitor e a potência recebida da rede elétrica.
Os valores do coeficiente de ação útil estão na faixa de 0,4 a 0,8. A quantidade de eficiência depende da carga no conversor de frequência. Como regra, a maior eficiência do conversor é alcançada quando ele é carregado normalmente.
Os indicadores técnicos e econômicos das instalações de aquecimento dielétrico dependem significativamente do projeto do dispositivo eletrotérmico. O design adequadamente selecionado deste último garante alta eficiência e fator de tempo de máquina.
Veja também:
Dielétricos em um campo elétrico