1.6.3. Аппараты для предварительного нагрева материалов

Таблетированные реактопласты непосредственно перед загрузкой их в пресс-форму подвергают предварительному нагреву в поле токов высокой частоты с целью интенсификации процесса прессования и повышения качества изделий.

Диэлектрический нагрев происходит при наложении на материал переменного электрического поля. Под его влиянием имеющиеся в материале заряды, связанные межатомными силами, смещаются в направлении поля и создают ток поляризации в отличие от свободных зарядов, которые создают ток проводимости. В переменном электрическом поле непрерывное перемещение зарядов, а, следовательно, и связанных с ними межатомными силами участков молекул сопровождается внутренним молекулярным трением, которое и вызывает нагрев материала. Дополнительное тепло выделяется в результате тока проводимости. Поскольку преобразование электрической энергии в тепловую происходит по всей массе материала, то температурные перепады минимальны.

Различные пластмассы, помещенные в переменное электрическое поле, нагреваются с разной интенсивностью. Критерием оценки поведения материала в высокочастотном электрическом поле является величина коэффициента диэлектрических потерь ρ, равного произведению диэлектрической проницаемости ε на тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, т. е. . Высокочастотному нагреву подвергаются только пластмассы, для которых ρ меньше сотых долей единицы.

Величина диэлектрических потерь Р (в Вт) может быть определена следующим образом:

где – емкость конденсатора, образованного диэлектриком и электродами генератора, Ф;

– частота переменного тока, Гц;

– переменное напряжение электрического тока, приложенное к диэлектрику, В;

– тангенс угла диэлектрических потерь.

Величина диэлектрических потерь (в Вт/м³), идущая на нагрев единицы объема пресс-материала (активная мощность):

Здесь – коэффициент пропорциональности;

– напряженность электрического поля, В/м;

– диэлектрическая проницаемость пресс-материала, Ф/м.

Несмотря на то, что и зависят от температуры и частоты переменного электрического поля, произведение величин диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, называемое фактором потерь, для многих пресс-материалов является величиной постоянной:

Чем больше , тем больше электрической энергии переходит в тепловую.

Минимальная частота (в Гц), при которой создается необходимая интенсивность нагрева, определяется по формуле:

где – плотность материала, кг/м³;

– удельная теплоемкость материала, Дж/(кг·К);

и – конечная и начальная температуры материала, К;

– термический КПД процесса нагревания, учитывающий потери теплоты в окружающую среду;

– скорость приращения температуры, К/с.

Минимальная частота выбирается такой, чтобы не превысить допустимую напряженность Е_доп электрического поля (200–250 кВ/м), иначе возможен электрический пробой материала. Напряженность электрического поля Е (в В/м) при нагреве однородного диэлектрика:

Здесь – напряжение на конденсаторе (не более 5000–8000 В);

– расстояние между пластинами, м.

Объемная плотность теплового потока (в Вт/м³) при нагревании пресс-материалов определяется из выражения:

где – диэлектрическая проницаемость вакуумного пространства ( пФ/м Ф/м).

Объемная плотность теплового потока с учетом потерь теплоты в окружающую среду:

Длительность нагрева таблеток (в с):

или

Здесь – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К);

– плотность, кг/м³;

и – конечная и начальная температуры таблетки, К;

– коэффициент, учитывающий влияние на напряженность электрического поля воздушного зазора между полимером и электродом;

– термический КПД процесса нагревания, учитывающий потери теплоты в окружающую среду, т.е. КПД генератора ТВЧ;

– частота колебаний, Гц;

– напряженность электрического поля, кВ/м;

– подводимое напряжение, В ( кВ);

– толщина слоя полимера (пластины, таблетки), мм.

Мощность электрического поля W (в кВт), потребляемая на нагрев порции материала массой G, определяется по уравнению:

Напряженность Е электрического поля не должна превышать 200–250 кВт/м. Коэффициент

где – величина воздушного зазора между электродом и таблеткой, мм;

а и К – постоянные (для фенопластов ; ).

В настоящее время для нагревания таблетированных реактопластов применяют главным образом генераторы ТВЧ с частотой колебаний 15–30 МГц и напряжением 3–8 кВ. Колебательная мощность этих установок составляет 0,65–16 кВт. В этих генераторах можно проводить подогрев и нетаблетированного сырья в таре из фторопласта или в полиэтиленовых мешках.

Генератор ТВЧ (рис. 38) выполнен в виде металлического шкафа 4, котором размещены следующие элементы: генераторный блок 5 с камерой рабочего конденсатора, анодный трансформатор 1, высоковольтный выпрямитель 10, вентилятор 2 и аппаратура цепей питания и управления 8. Приборы контроля и управления смонтированы на лицевой панели 9. Доступ к оборудованию осуществляется через двери 3 и 11, имеющие элект­ромеханическую блокировку. Установка имеет механизм перемещения верхней пластины рабочего конденсатора 7 с выведенной наружу рукояткой управления 6. Генератор снабжен системой экранирования излучения радиопомех.

Рис. 38

Принцип работы установки заключается в преобразование переменного напряжения промышленной частоты (50 Гц) в напряжение частотой 40,68 МГц. Таблетки устанавливают на поддоне или в специальных кассетах на нижний электрод, который одновременно служит заземленной пластиной конденсатора. Пластина верхнего электрода изготавливается сетчатой для лучшего пропускания паров влаги и летучих. После нагрева таблеток до заданной температуры электронное реле времени автоматически отключает генератор.

При обслуживании и ремонте установки необходимо строго соблюдать все правила техники безопасности, указанные в «Правилах технической эксплуатации электроустановок потребителем», относящиеся к высокочастотному оборудованию. Конструкция установки обеспечивает безопасность работы обслуживающего персонала при условии исправности электромеханических блокировок дверей установки и подноса и надежности заземления корпуса. К управлению процессом нагрева допускаются лица, проинструктированные по технике безопасности работы на высокочастотном оборудований.