Высокочастотные нагреватели

При склеивании толстых заготовок, когда клеевой слой расположен глубоко от наружной поверхности, нагрев осуществляют в поле токов высокой частоты (ТВЧ).

Сущность процесса. Древесина по своей природе является диэлектриком, не проводящим электрического тока. В ней отсутствуют свободные электрические заряды. По своим электрическим свойствам молекулы древесины эквивалентны электрическим диполям, которые в свободном состоянии расположены хаотично. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит деформация молекул и возникает индуцированный дипольный электрический момент молекул, пропорциональный напряженности поля. Происходит поляризация молекул. Если внешнее электрическое поле создать переменным током высокой частоты, то направление деформации молекул будет следовать за направлением магнитного поля. При этом процесс ориентации сопровождается трением и соударением молекул, затраченная на это работа превращается в тепло.

Чем больше напряжение поля, тем больше угол поворота диполей; чем больше частота тока, тем чаще меняется направление поля, тем чаще молекулы меняют свое положение и тем интенсивнее нагревается диэлектрик.

Помимо сказанного, в диэлектрике возникают другие явления, вызывающие выделение тепла:

– электронная поляризация (деформация электронных орбит);

– низкочастотная поляризация (передвижение ионов внутри диэлектрика с образованием объемных зарядов);

– ионная поляризация (упругая деформация ионов).

Интенсивность нагрева диэлектрика зависит от напряженности и частоты электрического поля, а также от электрических характеристик материала диэлектрика (табл. 8). Напряженность электрического поля определяется по формуле:

, (29)

где U – величина напряжения, подведенного к рабочим электродам, В;

d – расстояние между электродами, см.

Единицей измерения напряженности поля является В/см или кВ/см.

Для каждого материала экспериментально находится величина напряженности – пробивной градиент напряжения, при превышении которого происходит электрический пробой. Рабочая напряженность, или допустимый градиент напряженности, принимается в 1,5…2 раза меньше пробивного градиента.

Частота электрического тока, Гц:

, (30)

где l - длина волны, м.

При склеивании древесины в поле ТВЧ l = 10…100 м, f = 3…30 МГц.

Таблица 8

 

Диэлектрические свойства склеиваемой древесины

 

Наименование	Древесина сухая	Сосна влажностью W, %	Бук влажностью 15 %	Березовая фанера влажностью 10 %	Два слоя березовой фанеры, между ними слой жидкой фенолоформальдегидной смолы
e			8,2	9,4	–	–
tgd	0,05	0,05	0,04…0,059	0,058	–	–
Фактор потерь	0,2	0,15	0,33…0,48	0,55	0,13…0,21	0,58…0,72
Частота, МГц	–	5…10	1…10	1…10	1…10	1…10

 

Электрическая характеристика диэлектрика определяется диэлектрической проницаемостью материала e и тангенсом угла потерь, tgd. Величины e и tgd зависят от строения древесины, ее влажности, свойств клея, частоты, направления тока и т.д.

Произведение электрической проницаемости на коэффициент потерь e tgd называют фактором потерь, который характеризует свойства материала при высокочастотном нагреве.

Склеиваемый пакет состоит из древесины и клеевых слоев. Фактор потерь клеевого слоя выше, чем древесины, поэтому он нагревается более интенсивно. Тепло избирательно накапливается в клеевом слое. По мере отверждения клеевого шва фактор потерь его уменьшается и избирательность нагрева клеевого слоя ослабевает.

Значения e и tgd для клея следующие:

	e	tgd
до отверждения	25…60	0,5…0,8
после отверждения	3…6	0,5…0,8

Интенсивность нагрева при Е = const можно регулировать за счет изменения частоты тока f. Нижний предел f диктуется желаемой интенсивностью нагрева (не менее 3…5 МГц), а верхний предел зависит от допустимой неравномерности нагрева (не более 5%). Увеличение частоты тока приводит к уменьшению длины волны и усилению неравномерности нагрева за счет стоячих волн.

При склеивании в поле ТВЧ в соответствии с расположением электродов относительно клеевых слоев возможен поперечный, параллельный и рассеянный нагрев.

При поперечном нагреве клеевые слои располагают параллельно поверхностям электродов и силовые линии электрического поля направлены перпендикулярно слоям. В этом случае прогревается весь склеиваемый материал. Такой нагрев применяется, например, при производстве фанеры.

При параллельном нагреве клеевые слои параллельны силовым линиям электрического поля и перпендикулярны электродам. В этом случае в основном разогреваются клеевые слои, примерно в 14 раз быстрее, чем древесина. Однако этот способ нагрева возможен только в случае, если ширина клеевого слоя не превосходит 76 мм, а расстояние между электродами не более 300 мм. В противном случае в средней части клеевого слоя будут дефекты.

Когда первые два способа нагрева становятся неприемлемыми, применяют нагрев в рассеянном поле, при котором клеевой слой не находится непосредственно между электродами. Электроды скользят по одной поверхности соединяемых деталей. Продолжительность такого нагрева более длительна.

Удельная мощность. Удельная мощность, выделяемая в 1 см³ материала вследствие возникновения диэлектрических потерь, определяется по формуле

, (31)

где р – удельная мощность, Вт/ см³;

Е – напряженность электрического поля, В/см;

f – частота тока, Гц.

Источником электрической энергии, подводимой к электродам, является высокочастотный генератор. Наиболее часто применяются генераторы моделей ВЧГ1-1/40, ВЧГ2-4/27, ВЧГ3-60/13, ВЧГ4-4/27 (здесь в числителе указана колебательная мощность, кВт, а в знаменателе – рабочая частота, МГц).

Колебательную мощность генератора (кВт) можно определить приближенно по следующим формулам:

– при поперечном направлении поля Р_г = 2 G/t,

где G – масса склеиваемой древесины, находящейся в зоне нагрева, кг;

t – длительность отверждения клея, мин;

– при параллельном направлении поля Р_г = S /600 t,

где S – площадь клеевого слоя, см₂;

– при нагреве в рассеянном поле Р_г = S/ 300 t.

Практическое использование токов высокой частоты для склеивания древесины требует довольно больших затрат, так как применяемое оборудование относительно дорого и дефицитно. Кроме того, при эксплуатации высокочастотных установок возникают большие трудности по их обслуживанию и содержанию. Все это сдерживает их широкое применение.