1. Область применения высокочастотного нагрева

Мысли о практическом использовании энергии, поглощаемой полупроводниками и диэлектриками, помещенными в переменных электромагнитных полях, высказывались еще в конце прошлого века. Однако реальные перспективы развития этого способа нагрева открылись только в двадцатых годах XX века с появлением возможности получения токов высоких частот от ламповых генераторов, чему предшествовало широкое развитие радиотехники после изобретения радио Поповым А.С.

Первые шаги применения токов высокой частоты (ВЧ) для технического нагрева диэлектриков и полупроводников относятся к 1926-1927 гг., когда для нагрева использовались ткани живых организмов. Такой нагрев человеческого тела токами ВЧ, известный под названием «диатермия», очень быстро получил в медицине широкое распространение.

Начиная с 1930 г. в ряде лабораторий нашей страны были начаты работы по применению токов высокой частоты для технологического нагрева в пищевой, деревообрабатывающей, керамической, резиновой, химической и других отраслях промышленности. Советским ученым принадлежит приоритет высокочастотного нагрева для сушки древесины, тепловой вулканизации каучука и тепловой обработки продуктов. Наибольшую популярность получил нагрев материалов с малой электропроводностью и теплопроводностью, характеризующийся почти равномерным поглощением энергии по всему объему.

В настоящее время наиболее распространены такие процессы, как сварка изделий из пластмасс, ускорение полимеризации клеевых швов, подогрев порошков и таблеток при прессовании изделий из пластмассы. Высокочастотный нагрев применяют также для плавки стекла, пастеризации молока, размораживания пищевых продуктов, приготовления пищи, уничтожения вредителей в семенах, уничтожения грибков и т.д.

Высокочастотный нагрев для сушки влажных материалов не получил широкого применения из-за больших энергетических затрат (2…4 кВт·ч/кГ влажн). С целью сокращения расхода электроэнергии при высокочастотной сушке применяется комбинированная сушка, при которой нагрев токами ВЧ включается на ее заключительном этапе на короткое время для создания условий для термодиффузии, облегчающей движение влаги изнутри к поверхности древесины. Испарение и удаление влаги с поверхности древесины производится главным образом за счет внешнего нагрева.

2. Принцип высокочастотного нагрева диэлектрика

Диэлектрик, предназначенный для нагрева, помещается между обкладками конденсатора, подключенного к генератору высокой частоты (рис.6.1). Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется, и в нем происходит смещение зарядов. Если напряжение источника неизменно, то под влиянием сил взаимодействия поляризованных зарядов диэлектрика с зарядами, находящимися на пластинах конденсатора, произойдет увеличение плотности заряда на пластинах конденсатора. Чем меньше воздушные зазоры между пластинами и диэлектриком и сильнее его поляризация, тем больше будет плотность заряда на пластинах конденсатора. При заполнении диэлектриком всего объема конденсатора, плотность заряда на поверхности конденсатора будет наибольшей. При этом емкость плоского конденсатора определится так:

,

где ε­₀ = 8.85·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная;

ε­ – диэлектрическая проницаемость;

s – площадь пластин конденсатора;

d – расстояние между пластинами.

Рис. 6.1. Принципиальная схема нагрева диэлектрика

Несмотря на то, что при неизменном напряжении между пластинами конденсатора заряды поляризации диэлектрика ослабляют поле внутри него, увеличение плотности заряда на пластинах возмещает это уменьшение, и напряженность поля внутри диэлектрика остается прежней:

.

Так как при внесении диэлектрика в переменное электрическое поле воздушного конденсатора, емкость конденсатора изменяется, то изменяется и ток – возрастает прямо пропорционально увеличению емкости конденсатора. При этом плотность тока смещения в диэлектрике:

.

Если граница диэлектрика перпендикулярна полю, то, так как плотность тока всюду одна и та же, напряженность поля в воздухе в ε­ раз больше, чем в диэлектрике (рис.6.2а). Если граница раздела диэлектрика и воздуха совпадает с напряженностью поля, и толщина диэлектрика равна расстоянию между пластинами конденсатора, то, наоборот, напряженность поля в конденсаторе всюду неизменна, а плотность тока в диэлектрике в ε­ раз больше, чем в воздухе (рис. 6.2.б).

Рис. 6.2. Размещение диэлектрика в переменном электрическом поле

а)

б)

Электрическое поле в диэлектрике меняется с частотой подведенного к конденсатору тока, и, следовательно, поляризация диэлектрика также изменяет направление вместе с напряженностью поля. Таким образом, в диэлектрике начинаются движения зарядов, которые приводят к так называемым дипольным потерям, которые сильно зависят от частоты. Потери при поляризации диполей в поле токов ВЧ приводят к некоторому запаздыванию их смещения по отношению к внешнему полю. Молекула не успевает за внешним полем, и поляризация отстает от него, особенно при высоких частотах.

Пи отсутствии дипольных потерь между плотностью смещения и напряженностью поля в диэлектрике существует сдвиг фаз - 90⁰. Если поляризация сопряжена с потерями и несколько запаздывает по сравнению с напряженностью поля, то плотность тока опережает напряженность на угол, меньший 90⁰. Если обозначит угол сдвига фаз между плотностью тока и напряженностью поля в диэлектрике через φ, то:

δ = 90⁰ – φ,

называется углом потерь и характеризует потери в диэлектрике.

Мощность Вт/см³, выделяемая в единице объема диэлектрика за счет диэлектрических потерь

Р = 5.55 ε f tgδ Е²·10^-7.

Произведение k = ε tgδ называется фактором потерь. Таким образом, зная напряженность поля в материале, частоту тока и фактор потерь, можно определить мощность, выделяемую в диэлектрике.

Для анализа происходящих явлений единицу объема диэлектрика, помещенного между пластинами конденсатора, изображают на схеме замещения в виде последовательного или параллельного соединений емкости и удельного сопротивления или проводимости (рис 6.3 а,б).

Рис. 6.3. Схемы замещение диэлектрика

а)

б)

При замещении единицы объема диэлектрика по схеме рис.6.3а емкость определиться как

С_пар = ε ε₀ ,

проводимость

Активная и реактивная мощности, выделяемые в единице объема вещества,

При последовательной схеме замещения единицы объема диэлектрика

С_посл = ε ε₀(1 + tg²δ ) ;

Активная и реактивная мощности, выделяемые в единице объема диэлектрика, в этом случае могут быть определены по формуле:

Для диэлектриков tgδ << 1 и

С_посл ≈ ε ε₀ ≈ С_пар ,

т.е. определяющей величиной является емкость, а сопротивление – это условная величина, зависящая от выбора схемы замещения.

Для проводников определяющей величиной является сопротивление (r_посл ≈ 1/g), а емкость – это условная величина, зависящая от схемы соединения.

Таким образом, можно сделать вывод, выделение тепла в нагреваемом материале увеличивается по мере увеличения тангенса потерь tg , однако при чрезмерном увеличении tg, как это имеет место в случае использования проводников, произойдет снижение напряженности поля Е образца и, как следствие, уменьшение выделяющегося тепла. Мощность, выделяемая в материале, зависит также от частоты электрического поля f, и напряженности Е. Однако увеличение напряженности поля может привести к пробою или искрению в материале, поэтому на практике допустимая напряженность составляет обычно не более половины максимального значения. Дальнейшее увеличение выделяющейся мощности осуществляется путем увеличения частоты электрического поля.