유전체 고주파 가열 방법의 물리적 기반(유전 건조)
산업 기술 공정에서는 종종 유전체 및 반도체 그룹에 속하는 재료를 가열해야 합니다. 이러한 재료의 전형적인 대표자는 다양한 유형의 고무, 목재, 직물, 플라스틱, 종이 등입니다.
이러한 재료의 전기 가열을 위해 유전체 및 반도체가 교류 전기장에 노출되었을 때 포착하는 능력을 사용하는 설비가 사용됩니다.
가열은 이 경우 전기장의 에너지 일부가 회복 불가능하게 손실되어 열로 변하기 때문에 발생합니다(유전 가열).
물리적인 관점에서 이러한 현상은 변위 에너지의 소비로 설명됩니다. 전하 교류 전기장의 작용에 의해 발생하는 원자와 분자에서.
제품 전체 부피의 동시 가열로 인해 유전체 가열 균일하고 부드러운 건조가 필요한 용도에 특히 권장됩니다.이 솔루션은 모든 특성을 보존하기 위해 식품, 산업 및 의료 산업에서 열에 민감한 제품을 건조하는 데 가장 적합합니다.
유전체 또는 반도체에 대한 전기장의 영향은 전극과 재료 사이에 직접적인 전기적 접촉이 없는 경우에도 발생한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 재료가 전극 사이에 작용하는 전기장의 영역에 있어야만 합니다.
유전체를 가열하기 위한 고주파 전계의 사용은 1930년대에 제안되었습니다. 예를 들어, 미국 특허 2,147,689(Bell Telephone Laboratories에 1937년 제출)에서는 "본 발명은 유전체용 가열 장치에 관한 것이며, 본 발명의 목적은 이러한 재료를 균일하고 실질적으로 동시에 가열하는 것입니다."라고 말합니다.
교류 전압이 가해지는 두 개의 편평한 전극 형태의 유전체로 가열하는 장치의 가장 간단한 다이어그램과 전극 사이에 놓인 가열 재료가 그림에 나와 있습니다.
유전체 가열 회로
표시된 다이어그램은 전기 축전기, 여기서 가열된 재료는 플레이트 사이에서 절연체 역할을 합니다.
활성 전력 구성 요소 재료에 의해 흡수되는 에너지의 양은 결정되며 다음 비율로 구합니다.
P = USe·I 왜냐하면 phi = USe2·w C tg 델타,
여기서 UTo - 커패시터 플레이트의 전압; C는 커패시터의 커패시턴스입니다. tg 델타 - 유전 손실 각도.
주입 델타(유전 손실 각도) 상보각 fi 최대 90°(fi는 유효 전력 구성 요소와 무효 전력 구성 요소 사이의 변위 각도) 모든 유전체 가열 장치에서 각도가 90°에 가깝기 때문에 코사인 접선 델타와 거의 같은 파이.
이상적인 무손실 커패시터의 경우 각도 fi= 90 °, 즉 전류 및 전압 벡터는 서로 수직이며 회로는 순전히 반응성.
0이 아닌 유전 손실 각의 존재는 에너지 손실을 유발하기 때문에 기존 커패시터에 바람직하지 않은 현상입니다.
유전체 가열 설비에서 유용한 효과를 나타내는 것은 바로 이러한 손실입니다. 손실 각도 델타 = 0인 이러한 설비의 작동은 불가능합니다.
편평한 병렬 전극(평형 커패시터)의 경우 전극 사이의 재료의 단위 부피당 전력은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
Py = 0.555·e daTgdelta,
여기서 f는 주파수, MHz입니다. Ru - 특정 흡수 전력, W / cm3, e - 전계 강도, kv / cm; da = e / do는 재료의 비유전율입니다.
이것은 Y비교는 유전체 가열의 효율이 다음에 의해 결정됨을 보여줍니다.
공식 분석에서 알 수 있듯이 전기장의 강도와 주파수가 증가함에 따라 설치 효율이 증가합니다. 실제로 이것은 특정 제한 내에서만 가능합니다.
4-5MHz보다 높은 주파수에서는 고주파 발생기 변환기의 전기 효율이 급격히 감소하므로 더 높은 주파수를 사용하면 경제적으로 수익성이 없습니다.
전계 강도의 가장 높은 값은 각 특정 유형의 처리된 재료에 대한 소위 항복 전계 강도에 의해 결정됩니다.
항복 전계의 강도에 도달하면 재료의 무결성이 국부적으로 위반되거나 전극과 재료 표면 사이에 전기 아크가 발생합니다. 이와 관련하여 작업장의 강도는 항상 고장의 강도보다 작아야 합니다.
재료의 전기적 특성은 물리적 특성뿐만 아니라 온도, 습도, 압력 등 상태를 특징짓는 가변 매개변수에 따라 달라집니다.
이러한 매개변수는 유전 가열 장치를 계산할 때 고려해야 하는 기술 프로세스 중에 변경됩니다. 상호작용과 변화에서 이러한 모든 요소를 올바르게 고려해야만 산업에서 유전체 가열 장치를 경제적으로나 기술적으로 유리하게 사용할 수 있습니다.
고주파 접착제 프레스는 예를 들어 목재 접착 속도를 높이기 위해 유전 가열을 사용하는 장치입니다. 장치 자체는 거의 일반 접착제 프레스입니다. 그러나 접착할 부품에 고주파 전기장을 생성하기 위한 특수 전극도 있습니다. 현장은 빠르게 (수십 초 이내) 일반적으로 제품의 온도를 최대 50 - 70 ° C까지 올립니다. 이는 접착제의 건조를 크게 가속화합니다.
고주파 가열과 달리 마이크로웨이브 가열은 100MHz 이상의 주파수를 갖는 유전 가열이며 전자파는 작은 방출기에서 방출되어 공간을 통해 물체를 향할 수 있습니다.
최신 전자레인지는 고주파 히터보다 훨씬 더 높은 주파수의 전자파를 사용합니다. 일반적인 가정용 마이크로웨이브는 2.45GHz 범위에서 작동하지만 915MHz 마이크로웨이브도 있습니다. 이것은 마이크로파 가열에 사용되는 전파의 파장이 0.1cm에서 10cm라는 것을 의미합니다.
전자레인지에서 마이크로웨이브 발진이 발생합니다. 마그네트론으로.
각 유전체 가열 설비는 주파수 변환기 발전기와 전열 장치(특별한 형태의 플레이트가 있는 커패시터)로 구성됩니다. 유전 가열에는 고주파(수백 킬로헤르츠에서 메가헤르츠 단위)가 필요하기 때문입니다.
고주파 전류로 유전체를 가열하는 기술의 가장 중요한 과제는 전체 가공 공정에서 필요한 모드를 보장하는 것인데, 이 문제에 대한 해결책은 가열, 건조 또는 가열 중에 재료의 전기적 특성이 변한다는 사실로 인해 복잡합니다. 재료 상태의 다른 변경 결과. 그 결과 프로세스의 열 체계를 위반하고 램프 생성기의 작동 모드를 변경합니다.
두 가지 요인 모두 중요한 역할을 합니다. 따라서 고주파 전류로 유전체를 가열하는 기술을 개발할 때 가공된 재료의 특성을 면밀히 연구하고 이러한 특성의 변화를 기술 주기 전반에 걸쳐 분석해야 합니다.
재료의 유전 상수는 물리적 특성, 온도, 습도 및 전기장 매개변수에 따라 달라집니다. 유전 상수는 일반적으로 재료가 건조함에 따라 감소하며 경우에 따라 수십 번 변할 수 있습니다.
대부분의 재료에서 유전 상수의 주파수 의존성은 덜 뚜렷하며 일부 경우에만 고려해야 합니다. 예를 들어 피부의 경우 이러한 의존성은 저주파 영역에서 중요하지만 주파수가 증가함에 따라 중요하지 않게 됩니다.
이미 언급한 바와 같이 재료의 유전 상수는 항상 건조 및 가열 공정에 수반되는 온도 변화에 따라 달라집니다.
유전 손실 각도의 탄젠트도 처리 중에 일정하게 유지되지 않으며 델타 탄젠트는 재료가 교류 전기장의 에너지를 흡수하는 능력을 특징으로 하기 때문에 기술 프로세스 과정에 상당한 영향을 미칩니다.
대체로 유전 손실 각도의 접선은 재료의 수분 함량에 따라 달라집니다. 일부 재료의 경우 접선 델타는 가공 프로세스가 끝날 때까지 초기 값에서 수백 배로 변경됩니다. 예를 들어 실의 경우 습도가 70%에서 8%로 변하면 흡수각의 탄젠트가 200배 감소합니다.
재료의 중요한 특성은 고장 전계 응력 이 자료에 의해 허용됩니다.
전계 파괴 강도의 증가는 축전기 판의 전압 증가 가능성을 제한하므로 설치할 수 있는 전력의 상한을 결정합니다.
재료의 온도와 습도가 증가하고 전기장의 주파수가 증가하면 항복 전계의 강도가 감소합니다.
건조 과정에서 재료의 전기적 매개변수가 변경되더라도 미리 정해진 기술 모드를 보장하려면 발전기의 작동 모드를 조정해야 합니다. 발전기 작동 모드를 올바르게 변경하면 전체 작동 주기 동안 최적의 조건을 달성하고 설치 효율을 높일 수 있습니다.
작동 콘덴서의 설계는 가열 부품의 모양과 크기, 가열 재료의 특성, 기술 프로세스의 특성 및 마지막으로 생산 유형에 따라 결정됩니다.
가장 간단한 경우에는 서로 평행한 두 개 이상의 평판으로 구성됩니다. 플레이트는 수평 및 수직이 될 수 있습니다. 편평한 전극은 톱질한 목재, 침목, 원사, 접착 합판을 건조하기 위한 설비에 사용됩니다.
가열 재료의 균일성은 처리된 물체의 전체 부피에 걸친 전기장 분포의 균일성에 달려 있습니다.
재료 구조의 불균일성, 전극과 부품 외부 표면 사이의 가변 에어 갭, 전극 근처의 전도성 물질(홀더, 지지대 등)의 존재로 인해 전기 분포가 고르지 않게 됩니다. 필드.
따라서 실제로는 작동 커패시터에 대한 다양한 설계 옵션이 사용되며 각각은 특정 기술 프로세스를 위해 설계되었습니다.
고주파 전기장에서 유전체로 가열하기 위한 설비는 이러한 설비에 포함된 장비의 다소 높은 비용으로 상대적으로 낮은 효율을 보입니다. 따라서 이러한 방법의 사용은 다양한 가열 방법의 경제적 및 기술적 지표를 철저히 연구하고 비교 한 후에 만 정당화 될 수 있습니다.
모든 고주파 유전 가열 시스템에는 주파수 변환기가 필요합니다. 이러한 컨버터의 전체 효율은 커패시터 플레이트에 공급되는 전력과 전력망에서 수신되는 전력의 비율로 정의됩니다.
유용한 행동 계수의 값은 0.4 - 0.8 범위입니다. 효율성의 양은 주파수 변환기의 부하에 따라 다릅니다. 원칙적으로 컨버터의 최고 효율은 정상적으로 부하가 걸렸을 때 달성됩니다.
유전체 가열 설비의 기술 및 경제 지표는 전열 장치의 설계에 따라 크게 달라집니다. 후자의 적절하게 선택된 설계는 높은 효율성과 기계 시간 요소를 보장합니다.
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