Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов

Министерство  образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет

им. Г.И. Носова»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему: «Высокочастотный нагрев диэлектрических материалов»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Выполнила: Иванова Е. В., ТСС-09

                                                         Проверил: профессор Бахматов Ю. Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск 2012 г. 

Содержание

 

Введение 3

Основные параметры процесса нагрева 4

1. Удельная мощность 4

2. Электрические свойства материалов 5

3. Напряженность электрического поля в материале 6

4. Рабочая частота 9

Высокочастотная сушка 11

5. Технологические особенности процесса сушки 11

Сверхвысокочастотный нагрев 12

6. особенности СВЧ-техники 12

7. промышленное применение СВЧ-нагрева 13

8. СВЧ-нагрев пищевых продуктов 13

Список литературы 15

 

Введение

Высокочастотный нагрев является одним из широко используемых и перспективных видов термообработки диэлектрических материалов.

Распространение высокочастотного метода нагрева объясняется целым  рядом его особенностей. Прежде всего  при высокочастотном нагреве  появляется возможность обеспечения высоких скоростей температур в материале, осуществления избирательного нагрева при обработке неоднородных материалов, что снижает энергетические затраты процесса в целом. Это явление используют, например, в процессах склеивания, выравнивания влажности в процессе сушки и т. д.

При сушке, очистке, полимеризации  в связи с уменьшением коэффициента потерь материала в процессе нагрева скорость подъема температуры к концу нагрева автоматически снижается, при этом уменьшается возможность недопустимого перегрева продукта. Процесс безынерционен и прекращается со снятием напряжения с рабочего конденсатора. Технологические процессы с использованием скоростного высокочастотного нагрева легко поддаются механизации и автоматизации.

Ряд технологических процессов , таких, как склеивание древесины, сварка пластмасс, нагрев таблетированных пресс-материалов перед прессование успешно применяется на многих предприятиях. С развитием химической промышленности появилось много новых материалов, также требующих переработки с применением высокочастотного нагрева. Освоена технология формирования изделия из пенополистирола, нагрева смол компаундов, сушки порошкообразных материалов.

Появление мощных генераторов, работающих на сверхвысоких частотах (СВЧ), позволило расширить возможности  промышленного  применения диэлектрического нагрева. Повышение рабочей частоты и вызванное этим возрастание удельной мощности тепловыделения делают СВЧ-нагрев мощным средством интенсификации разнообразных технологических процессов.

Основные параметры  процесса нагрева

1. Удельная мощность

Высокочастотный нагрев диэлектрических  материалов осуществляется при их помещении  между пластинами конденсатора, к  которым подведено напряжение в несколько сотен или тысяч вольт при частоте тока, исчисляемой десятками миллионов герц. Этот вид нагрева часто равна нескольким тысячам миллионов герц (СВЧ-нагрев), то нагреваемый материал помещается не в поле конденсатора, а в волновод или объемный резонатор.

В обоих случаях механизм нагрева одинаков. Нагрев происходит за счет процессов поляризации имеющихся  в диэлектрике «связанных» зарядов. В присутствии электрического поля заряженные частицы (диполи, ионы) стремятся ориентироваться в направлении поля, при этом накапливается энергия. Если снять поле, то заряженные частицы возвращаются в свое «нейтральное» положение и из-за наличия между частицами материала межмолекулярного трения потенциальная энергия превращается в тепловую. Если диэлектрик поместить в переменное электрическое поле, то при каждом изменении поля внутри материала будет генерироваться некоторое количество теплоты. Чем чаще изменяется направление поля (чем выше частота колебаний), тем больше теплоты выделится в диэлектрике за еденицу времени.

Удельная мощность  (Вт/см³), выделяющаяся в единице объема диэлектрика, может быть определена по формуле :

 

 

 

Где - относительная диэлектрическая проницаемость материала;

- тангенс угла диэлектрических  потерь материала;

f - частота изменений направления поля (частота),  Гц;

Е_м – напряженность поля в материале, В/см;

Подводимая удельная мощность расходуется на нагрев материала, испарение влаги или других летучих компонентов.

Из данного выражения видно, что мощность, выделяющаяся в помещенном в переменное электрическое поле диэлектрике, зависит только от электрических характеристик материала () и параметров поля – частоты и напряженности поля в материале и не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом диэлектрического нагрева, позволяющим значительно ускорить процесс нагрева материала по сравнению с любым другим традиционным видом нагрева.

2. Электрические  свойства материалов

Электрические свойства прежде всего определяются структурой материала и связанной с ней поляризацией. Различают два вида поляризации. Первый происходит в диэлектрике в диэлектрике практически мгновенно и без выделения теплоты (электронная и ионная поляризация). Второй вид поляризации совершается во времени и сопровождается выделением энергии в диэлектрике. Этот вид поляризации называется релаксационной. К ней относятся дипольная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная поляризация. При электронной поляризации происходят упругое смещение и деформация электронных оболочек атомов. Ионная поляризация обусловлена смещением упруго связанных ионов. Этот вид поляризации характерен для кристаллических твердых тел с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда). Дипольная поляризация связана с ориентацией диполей и радикалов относительно молекулы. Она свойственна полярным органическим жидким и твердым веществам (эпоксидные смолы, целлюлоза).при повышении температуры поляризация сначала возрастает, а затем снижается из-за увеличения хаотического теплового движения молекул, препятствующего влиянию поля. Ионно-релаксационная поляризация характерна для неорганических стекол, материалов содержащих стеклообразную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов. С повышением температуры поляризация усиливается.

Большинство материалов, нагреваемых  в поле конденсатора, неоднородны и характеризуются средними значениями параметров, используемыми для расчета электрических параметров конденсатора. Если известны относительная диэлектрическая проницаемость каждого из компонентов и их взаимное расположение, то возможно по приближенным формулам смесей рассчитать средние значения вещества в целом.

Для материала слоистой структуры, в котором каждый слой отличается от другого значением относительной диэлектрической проницаемости и толщиной d₁; d₂,среднее значение можно рассчитать по формулам:

Если поле направлено вдоль  слоев

 

 

 

Если поле направлено поперек  слоев

 

 

При увеличении числа слоев  в числителе и знаменателе  в уравнениях соответственно увеличивается  число слагаемых.

Однако приведенные формулы  не позволяют изучить зависимость  электрических свойств диэлектрических материалов от влажности, температуры, степени полимеризации, плотности, агрегатного состояния, частоты колебаний внешнего поля и т. д. анализ такой зависимости позволяет более грамотно осуществлять технологические процессы нагрева материала в поле высокой частоты.

3. Напряженность электрического поля  в материале

Конструкция рабочего конденсатора , в котором происходит нагрев, определяется конфигурацией нагреваемого материала, его свойствами и требованиями технологического процесса. От состава материала, его компоновки, наличия воздушного зазора между материалом и электродами зависят распределение напряжения или в конечном счете величины напряженности электрического поля в отдельных участках материала.

Конструкция рабочего конденсатора, в котором происходит нагрев, определяется конфигурацией нагреваемого материала, его свойствами и требованиями технологического процесса. От состава материала, его компоновки, наличия воздушного зазора между материалом и электродами зависят распределение напряжения или в конечном счете величины напряженности электрического поля в отдельных участках материала.

Работа без воздушного зазора. Сначала рассмотрим случаи нагрева однородного материала в конденсаторах различного типа без воздушного зазора.

– Материал помещен между пластинами плоскопараллельного конденсатора (рис. 1). В этом случае напряжение (U_м, приложенное к материалу, равно напряжению U_р._к, подводимому к рабочему конденсатору, а напряженность поля в материале при относительно малых расстояниях между пластинами определяется уравнением.

.

Можно считать, что материал в этом случае нагревается равномерно, т. е. выделяемая мощность по всему объему материала одинакова.

Рис 1. Нагрев однородного материала в поле конденсатора с плоскопараллельными электродами

– Если' однородный материал помешен в конденсатор коаксикального типа (рис. 2, а), то и в этом случае величина U_м = U_{р. к}. Напряженность поля в материале будет равна U_м = U_{р. к}

 

Где R - расстояние от центра до точки, в которой определяется Е_м

Рис. 2. Нагрев материала в поле конденсатора типа: а – однородного материала; б – неоднородного материала с последовательным включением слоев

Как видно из формулы, напряженность поля в коаксиальном конденсаторе у внутреннего электрода выше, чем у наружного. Нагрев материала в таком конденсаторе неравномерен. Увеличивая диаметры электродов R₁ (наружного) и R₂ (внутреннего) и уменьшая расстояние между ними, можно несколько повысить равномерность нагрева.

– Выше рассмотрены конденсаторы, электроды которых располагаются с двух сторон нагреваемого материала. Иногда их  приходится устанавливать по одну сторону материала и нагрев производится в так называемых «гребенчатых»  электродах. Подобный конденсатор представлен на рис. 3.

Рис. 3. Нагрев материала в поле конденсатора гребенчатого типа

В случае нагрева неоднородных материалов происходит более сложное распределение напряженности поля в материале, зависящее от того, каким образом неоднородные включения расположены в поле конденсатора – вдоль или поперек силовых линий электрического поля.

Работа с воздушным зазором. В ряде технологических процессов нагрева диэлектрических материалов невозможно осуществить плотный контакт электродов рабочего конденсатора с нагреваемым изделием. Прежде всего это относится к процессам непрерывного нагрева материала на конвейере. В этом случае между материалом и одним из электродов (а иногда и между обоими электродами) устанавливается воздушный зазор. Наличие воздушного зазора приводит к перераспределен и напряжения рабочего конденсатора U_р._к между материалом U_м и зазором U_В.

4. Рабочая частота

Рабочая частота определяется из условия обеспечения необходимой интенсивности нагрева, которая задается технологическим процессом, электрической прочности в системе рабочий конденсатор – нагрузка, равномерного распределения напряжения по всей длине электродов рабочего конденсатора, возможности согласования параметров нагрузки с параметрами источника питания и работы при максимальном КПД установки.

Первые два требования определяют ту минимально допустимую частоту f_min, которая еще обеспечивает потребителю требуемую производительность процесса нагрева при работе с напряженностями поля в материале и в воздушном зазоре, не превышающими допустимые значения.

Допустимая напряженность поля в материале Е_м._доп выбирается в два раза меньше пробивной напряженности для этого материала.

 Увеличение частоты колебаний позволяет выделить в материале ту же мощность при пониженных значениях напряженности поля. Однако нельзя беспредельно повышать частоту. Первое ограничение на верхний предел частоты накладывают размеры загрузки или, точнее, их соотношение с длиной волны λ.

Чем больше линейные размеры нагреваемого материала, тем больше вероятность появления стоячих волн, что приведет к неравномерному распределению напряжения вдоль электродов рабочего конденсатора, а вместе с ним и напряженности поля в материале.

Для снижения неравномерности распределения  напряжения по длине электрода, вызванной стоячими волнами, токоподводящие шины следует подключать не к краям электродов рабочего конденсатора, а к середине.

Верхний предел частоты определяется и глубиной проникновения электромагнитной волны в материал, исключающей сквозной нагрев крупных изделий на частотах сантиметрового и дециметрового диапазонов. И, наконец, выбор частоты определяется возможностью согласования параметров нагрузки с параметрами генератора с целью обеспечения возможности передачи энергии в рабочий конденсатор.

Высокочастотная сушка

5. Технологические  особенности процесса сушки

При сушке материалов любым из существующих способов действуют основные закономерности: влага перемещается от мест с большей влажностью к местам с меньшей влажностью, от мест с высокой температурой – к местам с низкой, от мест с высоким давлением к местам с более низким давлением, т. е. перемещение влаги происходит против направления градиентов влагосодержания, температуры и давления. При высокочастотном способе нагрева температура внутри нагреваемого тела оказывается выше, чем в поверхностных слоях, с которых происходит удаление влаги. Совместное влияние градиентов температуры, влагосодержания и давления является очень важным преимуществом высокочастотной сушки, обеспечивающим сокращение ее продолжительности иногда в десятки раз. Возможность быстрого прогрева материала большой толщины обеспечивает создание очень высоких градиентов температур, что также ускоряет процесс сушки. Высокочастотная сушка является легко регулируемым и управляемым процессом. Применение высокочастотного нагрева в вакуумных камерах, в камерах с повышенным давлением, а также в сочетании с сублимационной сушкой позволяет достичь положительных эффектов при сушке различных веществ.