Диэлектрический нагрев

Диэлектрический нагрев — метод нагрева диэлектрических материалов высокочастотным переменным электрическим полем (ТВЧ — токи высокой частоты; диапазон 0,3—300 Мгц) или электромагнитной волной (СВЧ — сверхвысокие частоты; диапазон 0,4 — 10 ГГц). ТВЧ-нагрев диэлектриков осуществляется в конденсаторах, а СВЧ-нагрев — в волноводах и объёмных резонаторах.

Нагрев вызывается потерями на дипольную поляризацию диэлектриков.

Отличительной особенностью диэлектрического нагрева является объёмность тепловыделения (не обязательно однородного) в нагреваемой среде. В случае ТВЧ-нагрева тепловыделение более однородно из-за большой глубины проникновения энергии в диэлектрик; для СВЧ-нагрева характерна малая глубина проникновения и поверхностный нагрев, а также неоднородность прогрева в пространстве стоячих волн; однородность достигается за счёт теплопроводности материала.

Описание метода ТВЧ-нагрева

По сравнению с индукционным нагревом, применяемым для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится обычно с использованием более высоких частот.

Диэлектрический материал (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора[1], на который подаётся напряжение высокой частоты от электронного генератора на радиолампах. Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает материал.

Достоинства метода: высокая скорость нагрева; чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т. п.; равномерный нагрев материалов с низкой теплопроводностью; осуществление местного и избирательного нагрева и др.

Области применения метода: сушка материалов (древесины, бумаги, керамики и др.); нагрев пластмасс перед прессованием; сварка пластмасс; сушка клеевых швов; разогрев почвы перед землеройными работами; склеивание древесины и т.д.

Описание метода СВЧ-нагрева

При СВЧ-нагреве используются электромагнитные волны с частотами выше 100 МГц. Современные микроволновые печи используют обычно частоту 2,45 ГГц, хотя существуют устройства, работающие на частоте 915 МГц.

При использовании электромагнитных СВЧ-волн нагрев вызывается молекулярным дипольным вращением в диэлектрике — типичной дипольной молекулой является молекула воды. При этом в качестве генератора используются устройства на магнетронах.

Вынужденные колебания полярных молекул под действием внешнего электрического поля приводят к межмолекулярному трению, в результате во всем объёме диэлектрика выделяется теплота. В неидеальных диэлектрических материалах (частично проводящих электрический ток) происходит дополнительный нагрев за счёт проводимости. В диэлектриках, в которых процесс поляризации молекул незначителен, а электропроводность крайне мала, нагрев электромагнитным полем будет отсутствовать; такие материалы: стекло, бумага, фарфор, фаянс, многие полимерные материалы, воздух и т. д.[2].

Метод наиболее широко применяется для разморозки и нагрева при приготовлении пищи. Поскольку вода в пищевых продуктах содержит большое количество различных солей, которые диссоциируют на ионы, служащие носителями электрических зарядов и также реагирующие на переменное электромагнитное поле, нагрев продуктов обусловлен как переориентацией полярных молекул-диполей, так и смещением ионов.

История применения

В медицине
Три схемы, использовавшиеся в физиотерапевтических аппаратах в начале XX века:
катушка Теслы (1), катушка Арсонваля (2), катушка Удена[3] (3).

Впервые эффект нагрева диэлектрика в переменном электромагнитном поле был отмечен Э. В. Сименсом в 1864 году, затем в 1886 году И. И. Боргман изучал нагрев стеклянной стенки лейденской банки при заряде и разряде. Эффект нашёл применение в медицине. В 1891 году Никола Тесла предложил использовать термическое воздействие электромагнитного поля для нужд медицины, а д’Арсонваль, обнаружив, что переменное электромагнитное поле частотой выше 10 кГц не вызывает раздражения тканей, но оказывает различные физиологические эффекты, в том числе термическое воздействие, предложил три практических метода лечения: с помощью электродов, ёмкостными пластинами и катушками индуктивности.

В 1899 году австрийский химик Р. фон Зейнек (von Zaynek) определил скорость выделения тепла в тканях в зависимости от частоты и силы тока и предложил использовать электромагнитные поля частотой свыше 200 кГц для глубокого нагрева тканей тела и лечения. С 1906 года метод стал быстро распространяться и в 1908 году немецкий врач Карл Франц Нагельшмидт (Karl Franz Nagelschmidt) назвал его диатермией и в 1913 году написал первый учебник по этому направлению терапии.

Вплоть до 1920-х годов в терапевтических целях использовались аппараты длинноволновой диатермии с катушками Теслы искрового разряда, работавшими на частотах 0,1 — 2 МГц. В 1925 году А. Эзау (англ. Abraham Esau) заметил, что передатчик большой мощности метрового диапазона вызывал ощущение нагрева у персонала, и предложил использовать СВЧ-волны для терапии; совместно с Е. Шлипхаке он провёл испытания на животных и людях, а И. Петцольд исследовал влияние частоты на глубину прогрева. В результате возникла «коротковолновая диатермия», использующая частоты диапазона 10 — 300 МГц.

В промышленности

Несмотря на сложность и высокую стоимость оборудования, диэлектрический нагрев нашёл широкое применение в промышленности, поскольку позволяет нагревать непроводящие однородные материалы с высокой скоростью и равномерностью, а неоднородные материалы — избирательно, например, при сушке или склеивании.

В 1930—1934 годах Н. С. Селюгин в Ленинградском филиале ЦНИИ механической обработки древесины разработал технологию сушки древесины токами высокой частоты (Селюгин Н. С. Сушка древесины. — Ленинград: Гослестехиздат, 1936. — 560 с.; Сушка и нагрев древесины в поле высокой частоты / Н. С. Селюгин, С. Н. Абраменко, В. А. Жилинская, Г. А. Софронов ; Под общ. ред. проф. Д. Ф. Шапиро ; Наркомлес СССР, Всес. гос. трест «Севзаплес». Центр. науч.-иссл. лаборатория механич. обработки дерева. — Ленинград: Гослестехиздат, 1938. — 127 с.). В это же время авторское свидетельство на высокочастотную сушку древесины получил А. И. Иоффе. Впервые в промышленных масштабах метод был применён для сушки берёзовых и буковых заготовок на обувной фабрике «Скороход» в Ленинграде.

В 1930-х годах исследовались сушка и стерилизация фруктов с применением электромагнитных волн, а также П. П. Тарутин во ВНИИзерна изучал сушку и уничтожение вредителей зерна с применением токов высокой частоты (Применение ультракоротких волн для дезинсекции и термического воздействия на пшеницу. — Госторгиздат, 1937 — 190 с.).

В 1940-х годах в США были разработаны методы высокочастотного нагрева пластмасс, склеивания древесины и фанеры. Во Франции разработкой способов ВЧ-сушки текстиля и пищевых продуктов, склеивания древесины и нагрева пластмасс перед прессованием занимался А. Эзау; ВЧ-нагрев керамики разрабатывал М. Дескарсин (1946); вулканизацию каучука — ЛеДюк и Дюфур.

Нагрев с использованием сверхвысоких частот стал применяться после изобретения магнетрона в 1940-х годах. В 1947 году в США в вагоне-ресторане была установлена первая СВЧ-плита «Радарэндж», в которой использовался нагрев электромагнитными волнами частотой 2400 МГц. Работы по промышленному применению нагрева на сверхвысоких частотах начались в начале 1960-х годов: в США и Японии разрабатывались методы разрушения горных пород; в США и ФРГ проводились эксперименты по получению плазменного факела.

В конце 1980-х годов австрийской фирмой «Линн» была создана высокотемпературная (до 2000 °C) СВЧ-установка для спекания оксидов.

Примечания
  1. В качестве обкладок конденсатора может применяться толстая металлическая фольга.
  2. Необходимо учитывать, что в ряде случаев свойства вещества зависят от температуры. Так, например, электропроводность стекла с повышением температуры увеличивается и оно нагревается за счёт проводимости.
  3. Medical Electrology and Radiology (англ.)

Литература
  • Кувалдин А. Б. Диэлектрический нагрев // «Большая советская энциклопедия». — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.
  • Глуханов Н. П. Физические основы высокочастотного нагрева. — 4-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, 1979. — 64 с.
  • Нетушил А. В. Жуховицкий Б. Я. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. — 480 с.
  • Высокочастотная электротермия. Справочник. — М.-Л., 1965.
  • Брицын Н. Л. Нагрев в электрическом поле высокой частоты, 3 изд. — М.-Л., 1965.
  • Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. — М.: Энергия, 1968. — 310 с.
  • СВЧ энергетика, /Под ред. Окресса Э. — М.: Мир. 1971. — Т. 2. — 272 с.
  • Архангельский Ю. С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов. — Саратов: Издательство Сарат. университета, 1983. — 140 с.
  • Бородин И. Ф., Шарков Г. А., Горин А. Д. Применение СВЧ-энергии в сельском хозяйстве. — М.: ВНИИТЭИагропром, 1987. — 55 с.
  • Архангельский Ю. С. СВЧ электротермия. — Саратов: Издат. Сарат. гос. технич. университета, 1998. — 408 с.
  • Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ-энергетика. — М.: Наука, 2000. — 264 с.
  • Диденко А. Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика. — М.:Наука, 2003. — 446 с.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.