Diëlektrisch verwarmen

Hoe werkt diëlektrisch verwarmen?

Bij diëlektrisch verwarmen wordt verwarmd met een wisselend elektrisch veld. Dit elektrische veld wekt, in geschikte materialen, warmte op. Bij diëlektrisch verwarmen is geen warmteoverdrachtsmedium nodig. De energie wordt via het elektrische veld aan het te verwarmen product overgedragen.

Om een elektrisch veld in een product aan te brengen worden twee technieken gebruikt. Bij lagere frequenties wordt het product tussen twee elektroden geplaatst. Tussen de elektroden wordt een wisselspanning aangelegd. De wisselspanning leidt tot een wisselend elektrisch veld tussen de elektroden en in het product. Bij hogere frequenties wordt het product in een gesloten metalen kast, die lijkt op de magnetron thuis, geplaatst waarin ook een elektrisch veld wordt aangebracht. In beide gevallen, zowel bij de lage als bij de hoge frequentie, wordt het hele volume van het product direct verwarmd door het wisselende elektrische veld, mits het product daarvoor geschikte diëlektrische eigenschappen heeft.


Installatie

Voor wat betreft de frequentie kunnen diëlektrische installaties worden onderverdeeld in:

  • radiofrequente installaties; 10 tot 300 MHz
  • microgolf installaties; 300 tot 3000 MHz

In een diëlektrische installatie is de applicator dat gedeelte van het systeem waarin de warmte wordt opgewekt. De verhouding tussen de golflengte van het elektrische veld en de afmetingen van de applicator bepaalt hoe diëlektrische apparatuur eruit ziet. De afmetingen van diëlektrische installaties liggen over het algemeen in de orde van grootte van enkele meters.

Bij radiofrequenties is de golflengte van het elektrische veld 10 á 30 meter, veel groter dan de afmetingen van de installatie. Bij radiofrequente installaties bestaat de applicator uit twee of meerdere elektroden waartussen of waarboven het product wordt verwarmd. De elektroden met het product vormen samen een capaciteit met verliezen. De hoogfrequente energie wordt via geleidende verbindingen aan de elektroden toegevoerd. Vlakke elektroden, bestaande uit twee vlakke platen, worden het meest toegepast. Andere applicatoren zijn ook mogelijk afhankelijk van het type product. Zo worden, behalve vlakke elektroden, ook buisvormige en gebogen elektroden gebruikt in installaties voor radiofrequent verwarmen.

Bij microgolffrequenties ligt de golflengte rond 10 á 30 centimeter, veel kleiner dan de afmetingen van de installatie. De energie aan de applicator wordt niet meer toegevoerd via geleidende verbindingen maar wordt erin gestraald via golfpijpen. Bij een microgolfinstallatie bestaat de applicator uit een gesloten metalen kast. De energie wordt via een opening in de kast, waarop een golfpijp is aangesloten, de kast ingestraald. Een rechthoekige applicator, zoals de magnetron thuis, wordt het meest toegepast. Behalve de rechthoekige applicator worden er ook golfpijp, meander- en cilindervormige applicatoren in industriële microgolfsystemen toegepast.


Voor- en nadelen

Voor- en nadelen van diëlektrische verwarming
Voordelen Nadelen
lagere bedrijfskosten hogere energiekosten
volumetrisch verwarmen installaties relatief duur
korte opwarmtijden niet alle materialen zijn diëlektrisch te verwarmen
verhoogde productiecapaciteit  
goede regelbaarheid  
gemakkelijk te automatiseren  
geen rookgassen  
onderhoudsarm  
innovatieve producten en processen mogelijk  


Toepassingen

In veel sectoren van de industrie worden diëlektrische installaties toegepast. Onder andere in de hout, kunststoffen, voeding, papier, textiel, keramiek en farmacie sector, in processen als verwarmen, drogen, verhitten, pyrolyseren en uitharden. Vooral de voedings- en genotmiddelenindustrie biedt vele mogelijkheden voor diëlektrisch verwarmen. Typische processen, waar diëlektrisch verwarmen voor geschikt is, zijn; tempereren, ontdooien, verwarmen, koken, bakken, braden, stoven, smelten, blancheren, pasteuriseren, steriliseren, drogen al of niet onder vacuüm en eliminatie van insecten. Nieuwe mogelijkheden voor diëlektrische technieken bieden zich aan in de milieutechnologie, onder andere voor het verwerken van afvalstromen.

Radiofrequente verwarming worden meestal toegepast bij grotere objecten en lagere energiedichtheden; microgolfverwarming bij kleinere objecten en grotere energiedichtheden.

Toepassingen van diëlektrische verwarmen
Industriesector Processen met diëlektrisch verwarmen
Hout- en meubelindustrie uitharden van gelijmde houtverbindingen
Medische apparatuur lassen van kunststoffolie tot infuus-, glucose- en bloedzakken
Fabricage van kantoorartikelen lassen van plastic mappen
Scheepvaart lassen van polyurethaan reddingsgordels en boten
Kunststofindustrie vulkaniseren van rubber
Voedingsmiddelenindustrie ontdooien, drogen, verwarmen en pasteuriseren van voedingsmiddelen
Aardewerkindustrie drogen van aardewerk in mallen
Papierindustrie vochtegalisatie en drogen van papier
Textielindustrie drogen van textiel, wol en polyester
Tuinbouw ontsmetten van grond en substraten


Voorbeelden toepassingen

Radiofrequent uitharden van lijmverbindingen

Een energiebesparende toepassing van diëlektrisch verwarmen is het radiofrequent uitharden van lijmverbindingen in houtconstructies. De lijm heeft een relatief hoge en het hout een relatief lage verliesfactor. Met radiofrequent verwarmen wordt de warmte daarom alleen in de lijm opgewekt; het hout wordt nauwelijks verwarmd. Ten opzichte van een conventioneel proces is er daardoor sprake van een belangrijke energiebesparing. Verder wordt het lijmproces aanzienlijk versneld. De lijmverbinding is in enkele minuten uitgehard. Onmiddellijk daarna kan het product gezaagd, geschaafd, gefreesd of op andere wijze mechanisch worden bewerkt. Het uitharden met behulp van hete lucht duurt veel langer omdat hout een slechte warmtegeleider is. Deze methode vraagt om grote opslagruimten waar het uitharden van de gelijmde verbinding plaats kan vinden. Bij radiofrequent uitharden is tussentijdse opslag niet noodzakelijk, de doorstroom van het product wordt daarmee versneld. Het uitharden kan eventueel in lijn met andere bewerkingen worden uitgevoerd. Vanwege de genoemde voordelen heeft radiofrequent verwarmen het uitharden met hete lucht bijna geheel verdrongen. De figuur toont de continue houtlijminstallatie van van Dam Houtproducten in Gendringen.

Producten die met plastic lassen worden gefabriceerd zijn bijvoorbeeld te vinden in de medische sector (infuus-, glucose- en bloedzakken), bij de fabricage van kantoor benodigdheden (plastic mappen) en in de scheepvaart (polyurethaan reddingsgordels en boten). Deze producten worden gemaakt door twee lagen plastic tussen twee elektroden te brengen. Bij radiofrequent verwarmen smelten de plastic folies tussen de elektroden, waardoor de folies aan elkaar worden gehecht. PVC is voor deze toepassing zeer geschikt omdat PVC een hoge verliesfactor heeft. De figuur toont een machine voor het produceren van medicijnzakken voor vloeibare voeding (met dank aan Colpitt). In de figuur zijn achteraan in het midden en achteraan rechts de twee radiofrequente generatoren te zien, in het midden een 10 kW en rechts een 7 kW installatie. Met deze installatie zijn volautomatisch, volcontinue, 24 uur per dag, 7 dagen per week, 3600 zakken per uur te produceren. Controle op de kwaliteit van de zakken is geautomatiseerd en geïntegreerd in de installatie.

Een van de processen bij het produceren van aardewerk is drogen voor lossen. Aardewerk wordt uit klei gevormd met behulp van gipsen mallen. Door het drogen van het samenstel, gipsen mal en kleiproduct, krimpt de klei. Het product kan daarna worden gelost uit de vorm. Door het toepassen van microgolfdrogen neemt, vergeleken met huidige droogmethoden, de lostijd aanzienlijk af. De verblijftijd van de mal in het proces neemt daardoor sterk af. Dit is economisch voordelig omdat nu dezelfde productie kan worden gemaakt met een derde van de mallen. Daardoor hoeven er ook minder mallen te worden gemaakt. Het ruimtebeslag in de fabriek neemt drastisch af en de hoeveelheid af te voeren gipsafval verminderd. Daarnaast wordt op energie bespaard. Microgolf lossen wordt toegepast door Cor Unum Ceramics and Art in 's Hertogenbosch. Er wordt gebruik gemaakt van een 6 kW, 2450 MHz, semi-continue microgolfdroger. De figuur geeft een beeld van de droger.

Voor bepaalde toepassingen moet wol worden verstevigd door de wol te vervilten. Dit gebeurt in een proces waarbij de wollen draden zich onder water bevinden. Vóór het verpakken moet de wol weer worden gedroogd. Gebruikelijk gebeurt dit in een aparte bewerking in een batch-droger. De wol wordt, verpakt in netten, in de droger gehangen, gedroogd met hete lucht en na het drogen verpakt. Door het toepassen van microgolftechniek is het gehele proces, vervilten-drogen-verpakken, tot in één procesgang teruggebracht. Het resultaat is een aanzienlijke besparing op bedrijfskosten en een verhoging van de productiviteit. De droger bestaat uit drie 6 kW microgolfsystemen (2450 MHz) in de vorm van een golfpijpapplicator waar de wollen draden in langsrichting doorgevoerd worden.

In de voedingsindustrie is er een stijgende tendens naar voedingsproducten die door verhitting weinig in kwaliteit achteruit gaan en die gekoeld langere tijd kunnen worden bewaard. Met microgolven kunnen de maaltijden snel in temperatuur worden verhoogd. Door in verpakking te pasteuriseren wordt bacteriële besmetting na afkoelen uitgesloten. Hierdoor hoeven de maaltijden geen conserveermiddelen te bevatten. Microgolf pasteurisatie van maaltijden in gesloten verpakking is een innovatief proces wat ten volle gebruikt maakt van een typische eigenschap van diëlektrisch verwarmen, namelijk het direct en daardoor snel verwarmen van het product zelf, zonder warmteoverdrachtsmedium. De microgolfinstallatie op de foto (2450 MHz), voor de pasteurisatie in verpakking, heeft een capaciteit van 1000 kg/uur bij een effectief vermogen van 120 kW (met dank aan Fano Fine Food, Oldenzaal).

Een te hoog vochtgehalte in bakkerijproducten leidt snel tot schimmel. Een laag vochtgehalte (maximaal 5%) is gewenst voor een goede houdbaarheid. Bakkerij Pruvé in Edam past een radiofrequente droger (27 MHz, 20 kW) toe voor het drogen van roomhoorntjes na bakken. De droger werd achter de bestaande conventionele oven geplaatst. De productiecapaciteit werd met 30% verhoogd, terwijl het vochtgehalte verlaagd werd tot onder de 5%. De figuur toont de radiofrequente nadrooginstallatie van Pruvé in Edam.

Radiofrequent tempereren van vis

Met diëlektrische technieken kunnen diepgevroren diepvriesproducten zeer snel in temperatuur worden verhoogd. Waar conventioneel tempereren dagen duurt, kan het proces met diëlektrische technieken worden versneld tot minuten. De foto toont een radiofrequente 70 kW 27 MHz continue installatie voor het tempereren van vis (met dank aan Sairem). De installatie verwerkt rond de 1200 kg diepgevroren product per uur. De producten worden in 4 tot 5 minuten getempereerd tot een temperatuur van -4 á -2 oC, vlak onder het vriespunt.

Microgolf tempereren van vlees, vis en gevogelte

Met diëlektrische technieken kunnen diepgevroren diepvriesproducten zeer snel in temperatuur worden verhoogd. Waar conventioneel tempereren dagen duurt, kan het proces met diëlektrische technieken worden versneld tot minuten. De foto toont een 60 kW 915 MHz batch microgolfinstallatie voor het tempereren van vlees, vis en gevogelte (met dank aan Sairem). De installatie verwerkt blokken diepgevroren product van 10 tot 25 kg met een capaciteit van 1400 tot 2000 kg per uur. De producten worden in 4 tot 5 minuten getempereerd tot een temperatuur van -4 á -2 oC, vlak onder het vriespunt.