2. Lị nấu chảy cảm ứng dạng nồi:
4.4. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA ĐỐT NĨNG ĐIỆN MƠI:
Cơ sở vật lý của đốt nĩng điện mơi là do các dịng điện (dịng điện chuyển dịch và dịng điện dẫn) chảy qua chất cách điện hoặc bán dẫn khi đặt chúng vào trong một điện trường xoay chiều tần số cao.
Ưu điểm của phương pháp này so với các phương pháp đốt nĩng điện mơi là hiệu quả nhất, bởi vì tồn bộ năng lượng hấp thụ ở trong lịng vật thể đều được chuyển hố thành nhiệt.
Tuỳ theo đặc điểm cơng nghệ, thiết bị đốt nĩng điện mơi tần số cao cĩ thể được chia ra làm 3 loại:
Các thiết bị loại 1: được sử dụng trong cơng nghệ xử lý nhiệt các sản phẩm cĩ kích thước lớn và khi cần đốt nĩng nhanh chĩng : sấy sợi bơng, len, sấy gỗ và các sản phẩm làm từ gỗ, nung các sản phẩm cách điện, sứ, gốm, hàn các chi tiết bằng nhựa và polyme.
Các thiết bị loại 2: được sử dụng để sấy khơ các sản phẩm dạng tấm, băng như vải sợi, tranh ảnh, giấy, phim nhựa, các chế phẩm hĩa dược, các sản phẩm cao su.
Các thiết bị loại 3: ở đây quá trình đốt nĩng khơng nhất thiết phải nhanh và đều, ví dụ làm tan các sản phẩm đĩng băng, nung các sản phẩm từ gốm thơ, sấy trà, đậu …
Việc ứng dụng các phương pháp sấy cao cấp cho phép nâng cao chất lượng sản phẩm, đẩy nhanh quá trình cơng nghệ và đạt hiệu quả kinh tế cao.
Khi các chất điện mơi được đặt trong điện trường bên trong chúng xảy ra sự tương tác giữa các phần tử cĩ điện tích âm, kết quả hình thành các mối liên kết trái dấu (được gọi là các phần tử lưỡng cực). Trong một phần tử lưỡng cực số lượng điện tích dương luơn bằng số lượng điện tích âm.
Tích số giữa điện tích phần tử và khoảng cách chuyển động được gọi là moment lưỡng cực, m = g / l.
Mối liên hệ giữa moment lưỡng cực và cường độ điện trường E được biểu diễn qua cơng thức:
m = . E (4.23)
với là độ biến dạng đàn hồi của phần tử, cịn được gọi là độ phân cực. Cĩ thể phân biệt các hình thức phân cực như sau:
Sự phân cực điện tử:
Nguyên tử vật chất được biểu diễn bằng sự chuyển động của các electrons xung quanh hạt nhân nguyên tử. Dưới tác động của điện trường E, nguyên tử cĩ thể trở thành các lưỡng cực cảm ứng với thời gian dao động riêng vào khoảng 10-14 đến 10-15 sec. Trong thời gian này xác lập sự phân cực điện tử. Cơ chế phân cực điện tử được biểu diễn trong (H.4.8).
Sự phân cực hố ion.
Được biểu diễn bằng sự chuyển động đàn hồi của các ion trong mạng tinh thể của chất cách điện rắn. Chu kỳ dao động của mạng là vào khoảng 10-12 đến 10-13 sec. Thời gian phân cực hố cũng vào khoảng đĩ.
Sự phân cực hố ion định hướng.
Trong các chất điện mơi, bản thân các phân tử đã là lưỡng cực, khơng phụ thuộc vào sự cĩ mặt hay khơng của điện trường bên ngồi. Sự phân cực trong trường hợp này được thể hiện ở sự sắp xếp các lưỡng cực dưới tác động của điện trường và được gọi là sự phân cực định hướng. Sự phân cực định hướng cĩ tính đàn hồi và sinh ra trong các chất điện mơi dạng rắn và dạng lỏng.
Sự phân cực định hướng khơng chỉ tồn tại trong điều kiện điện trường một chiều (H.4.9) mà tồn tại cả ở trong điều kiện điện trường xoay chiều. Trong trường hợp thứ hai, phương của sự phân cực thay đổi theo tần số biến thiên của điện trường. Các lưỡng cực cĩ tính đàn hồi sẽ bị rung và xoay đảo theo chiều biến thiên thuận nghịch của điện trường. Ngồi ra dưới tác động của điện trường trong chất điện mơi cịn xuất hiện các dịng điện tích (cĩ nghĩa là dịng điện).
Sự phân cực hố biến thiên cịn gây ra tổn hao năng lượng do sự cọ xát giữa các phần từ với nhau (tổn hao ma sát) và khi các phần tử lưỡng cực bị xoay đảo sẽ gây ra thêm tổn hao gọi là tổn hao lưỡng cực. Các tổn hao kể trên chuyển hố thành nhiệt đốt nĩng chất điện mơi. Tốc độ đốt nĩng phụ thuộc vào tần số của điện trường.
Sự chuyển dịch dịng điện trong chất điện mơi bao gồm hai thành phần : dịng điện chuyển dịch: Icd = j c U (4.24) và dịng điện dẫn: Id = g . U (4.25) Trong các cơng thức (4.24) và (4.25) : là tần số gốc
C, g tương ứng – điện dung và điện dẫn của chất điện mơi U là điện áp đặt lên chất điện mơi
I = Iđ + Icd = (g + j C) U (4.26) Tỷ số trên dịng điện dẫn trên dịng điện chuyển dịch:
tg = Iđ / Icd (4.27) được gọi là hệ số tổn thất điện mơi.
Đặc trưng cho chất điện mơi cịn cĩ đại lượng gọi là hệ số điện mơi : = ’– j ”. Trong đĩ phần thực đặc trưng cho tỷ số giữa các giá trị điện dung trước và sau khi đặt chất điện mơi vào trong điện trường. Cịn phần ảo: ” =
’tg , đặc trưng cho sự hấp thụ năng lượng điện trường của điện mơi.
Các chỉ số và tg phụ thuộc vào trạng thái vật lý của vật chất (độ ẩm, nhiệt độ) và cả vào tần số của điện trường. (H.4.10) mơ tả đồ thị quan hệ giữa , tg và f.
Đại lượng tg đạt giá trị cực đại tại tần số f0 được gọi là tần số tích thốt. Tần số tích thốt là đại lượng đặc trưng đối với từng loại vật liệu.
Cơng suất tổn hao trong điện mơi:
P = U . I . cos U . I . tg = C U2 tg (4.28) Trong (4.28): = 2 f – là tần số gĩc (rad/ s)
C – điện dung giữa 2 điện cực tạo ra điện trường (F) C = 0 . S / d : S – là điện tích của bản cực (m) d – khoảng cách giữa hai bản cực (m)
0 = 8,85 . 10-12 (F/m) – là hằng số điện mơi chân khơng. Điện trường E giữa hai bản cực cĩ giá trị:
E = U / d (v/m) (4.29)
Cơng suất tiêu hao trên một đơn vị thể tích điện mơi:
P0 = 5,56 . 10-11. f . E2 . . tg (4.30) Cơng suất P0 ngồi việc đốt nĩng chất điện mơi cịn phải làm bốc hơi nước và các chất bám bẩn khác trên bề mặt chi tiết, chi phí cơng suất cho việc đốt nĩng.
P = C . . ( T / t) / t (4.31) Ơû đây:
C – là tỷ nhiệt của vật liệu (J/g . 0K) – là khối lượng riêng của vật liệu (g/cm3) ( T / t) – tốc độ đốt nĩng ( 0K/sec)
Chi phí làm bay hơi nước và các chất bám bẩn khác trong vật liệu: Pbh = (L / t) . ( M / t) (4.32) Trong (4.32): L – tiêu chuẩn tạo hơi nước ở nhiệt độ xác định (J/g)
M / t – tốc độ bốc hơi (g/cm3. s)
Từ các biểu thức từ (4.30) đến (4.32) cho phép rút ra kết luận như sau: cơng suất tiêu thụ trong chất điện mơi khi đặt nĩ vào trong một điện trường xoay chiều được xác định bởi các đặc trưng điện mơi của nĩ như và tg và các thơng số của điện trường như E và f.
Cơng suất tiêu thụ khơng phụ thuộc vào sự dẫn nhiệt của vật liệu (độ dẫn nhiệt của các chất điện mơi thường là thấp). Đặc điểm này hình thành tính ưu việt của phương pháp đốt nĩng so với một vài phương pháp thơng thường khác.