Diëlektrische verwarmen

Materialen en diëlektrisch verwarmen

Elk materiaal bevat elektrische ladingen in de vorm van dipolen en in de vorm van elektronen en ionen. In de onderstaande figuur zijn dipolen aangegeven met een rode (plus) en een blauwe (min) kant. De dipolen bevinden zich in een hoogfrequent elektrisch veld.

Onder invloed van het hoogfrequente elektrische veld worden de dipolen afwisselend de ene of de andere kant opgericht. De beweging die zo ontstaat, gaat gepaard met warmteverliezen. Ook de bewegingsenergie van de losse ladingsdragers (elektronen en ionen) in het materiaal leidt tot warmteontwikkeling afhankelijk van de elektrische weerstand van het materiaal. In beide gevallen wordt de warmte in het materiaal zelf opgewekt. De techniek van het diëlektrisch verwarmen berust op deze eigenschap van materialen. De elektrische energie voor verwarmen wordt contactloos, via het elektrische veld, aan het materiaal overgedragen en daar omgezet in warmte. Er is geen warmteoverdrachtsmedium nodig. De energie kan met hoge vermogens worden overgedragen.

Materiaaleigenschappen

Materialen moeten geschikte eigenschappen hebben willen ze diëlektrisch verwarmd kunnen worden. De mate waarin een product diëlektrisch kan worden verwarmd wordt bepaald door de verliesfactor van het materiaal. Hoe hoger de verliesfactor, hoe beter het materiaal verwarmd kan worden, hoe lager de verliesfactor hoe moeizamer verwarmen gaat. Materialen met een zeer lage verliesfactor, bijvoorbeeld polytheen, kunnen niet diëlektrisch worden verwarmd. Materialen met een lage elektrische weerstand kunnen ook niet diëlektrisch worden verwarmd. Deze materialen kunnen wel met inductieve technieken worden verwarmd.

Het hele volume van het product wordt gelijktijdig homogeen verwarmd als de elektrische veldsterkte overal in het materiaal dezelfde waarde heeft. Echter bij hoge frequenties neemt de veldsterkte in een materiaal naar binnen toe snel af. De indringdiepte van het elektrische veld in een materiaal wordt onder andere bepaald door de verliesfactor van het materiaal en door de frequentie van het elektrische veld. Is de indringdiepte kleiner dan de afmetingen van het product dan wordt dit niet homogeen verwarmd.

Onderstaande tabel geeft de verliesfactor en de indringdiepte van een aantal materialen bij een radiofrequentie (27 MHz) en een microgolffrequentie (2450 MHz). Onder kentallen worden de diëlektrische eigenschappen van een aantal materialen gegeven.

Bij 27 MHz is de indringdiepte over het algemeen groot, meerdere meters. Bij 2450 MHz kan de indringdiepte klein zijn. De magnetron thuis werkt bij 2450 MHz. Uit de tabel is duidelijk dat het niet verstandig is dikke lagen aardappelen in de magnetron te verwarmen. Alleen de buitenkant wordt dan warm. Voor een biefstuk is dat ook het geval. Maar daar kan het een voordeel zijn als een niet doorbakken biefstuk wordt gewenst.

Vermogensdichtheid

Bij diëlektrisch verwarmen wordt verwarmd met een hoogfrequent elektrisch veld. De frequentie ligt in de orde van miljoenen trillingen per seconde ofwel in de orde van miljoenen Hertz (MHz). In praktijk worden frequenties uit een tweetal frequentiegebieden gebruikt namelijk radiofrequenties (1 tot 300 MHz) en microgolffrequenties (300 tot 3000 MHz). Verder worden in deze gebieden een aantal specifieke frequenties gebruikt omdat de apparatuur geen telecommunicatieapparatuur (radio, tv, mobiele telefoon, enzovoorts) mag storen. In het radiofrequente gebied worden vooral 13 en 27 MHz; in het microgolfgebied 915 en 2450 MHz gebruikt. De laatste frequentie, 2450 MHz, is de frequentie die ook in de huishoudelijke magnetrons wordt toegepast.

Het vermogen dat met een hoogfrequent elektrisch veld in een materiaal kan worden opgewekt is afhankelijk van de hoogte van de frequentie, van de verliesfactor van het materiaal en van de sterkte van het elektrische veld. Onderstaande figuur geeft de vermogensdichtheid bij twee frequenties, bij een veldsterkte van 1 kV/m, afhankelijk van de verliesfactor. Een frequentie ligt in het radiofrequente gebied (27 MHz) en een in het microgolf gebied (2450 MHz).

De frequentie van het elektrische veld en de verliesfactor van het product, bepalen de vermogensdichtheid en daarmee de snelheid van verwarming. In bovenstaande figuur is uitgegaan van een elektrische veldsterkte 1 kV/m. De vermogensdichtheid is evenredig met de veldsterkte in het kwadraat. Is de elektrische veldsterkte bijvoorbeeld 10 kV/m dan is de vermogensdichtheid 100 maal groter. In praktische situaties is de veldsterkte beperkt tot ongeveer 1000 kV/m.

Apparatuur

Hoogfrequente verwarmingsapparatuur

Er is een duidelijk verschil in constructie tussen apparatuur in het radiogolf- (RF) en in het microgolfgebied (MG).

De golflengte van radiofrequenties ligt in de orde van 11 tot 23 meter. De afmetingen van radiofrequente apparatuur zijn meestal kleiner dan deze golflengte. Hier geldt de klassieke elektrotechniek. Het elektrische veld wordt opgewekt tussen twee elektroden die, samen met het te verwarmen materiaal, een condensator vormen. Tussen de elektroden staat een spanning die een elektrisch veld in het materiaal tussen de elektroden veroorzaakt.

De golflengte in het microgolfgebied ligt tussen de 12 en 33 centimeter. Microgolfapparatuur is meestal groter dan deze golflengte. Microgolfenergie gedraagt zich dan meer als licht. De verwarmingsruimte is een gesloten metalen kast waarin een elektrisch veld heerst. Dit veld komt meestal uit een golfpijp waardoor de microgolfenergie wordt toegevoerd. De microgolfenergie wordt als licht de gesloten metalen kast ingestraald.

Onderstaande figuren geven schematisch het verschil tussen radiofrequente en microgolfapparatuur. De apparatuur kan in beide gevallen op verschillende manieren worden uitgevoerd.

Radiogolf	Microgolf

Omdat met diëlektrische technieken snel kan worden verwarmd wordt de installatie meestal voor een continu proces ingericht. Het te verwarmen product wordt door het elektrische veld gevoerd via een lopende band. Het gedeelte waarin wordt verwarmd wordt een applicator genoemd. Van de twee frequentiegebieden, radiofrequent en microgolf, is radiofrequent verwarmen de meest gebruikte techniek omdat deze vaak goedkoper is dan microgolfverwarmen.

Radiofrequente apparatuur

Afhankelijk van de toepassing wordt de applicator bij radiofrequente apparatuur in verschillende vormen uitgevoerd. De meest gebruikelijke applicator wordt gevormd door twee vlakke elektroden.

Deze elektroden worden voor min of meer regelmatige producten gebruikt in processen zoals; het ontdooien van vlees en het drogen van biscuits en textiel. Ook bij kunststof lassen worden dit soort elektroden gebruikt maar dan in de vorm van de lasnaad. Hetzelfde geldt voor het uitharden van gelijmde houten delen, daar worden kleine vlakke elektroden over de lijmnaad gezet. Door de spanning tussen de elektroden ontstaat een elektrisch veld tussen de elektroden voorgesteld door de oranje lijnen.

Voor onregelmatige of voor zeer dunne producten zijn vlakke elektroden minder geschikt en worden strooiveldelektroden gebruikt.

Om het product te verwarmen worden de elektroden zowel aan weerszijden van het product of alleen aan de onderkant aangebracht. Toepassingsvoorbeelden van deze elektroden zijn het drogen van roomhoorntjes, het drogen van banen papier en textiel en het uitharden van lakken. Het elektrische veld tussen de elektroden wordt voorgesteld door de oranje lijnen tussen de elektroden. Het veld is hier duidelijk minder homogeen dan in het geval van de vlakke platen. Omdat het product tussen of langs de elektroden wordt getrokken wordt het product, ondanks het inhomogene veld, toch homogeen verwarmd. Strooiveld elektroden worden dan ook uitsluitend voor continue toepassingen gebruikt en niet voor batchprocessen.

Microgolf apparatuur

Voor microgolfverwarming worden ook verschillende applicatoren gebruikt. Het meest gebruikelijk is de gesloten metalen kast zoals die ook in de huishoudmagnetron wordt gebruikt. De microgolfenergie wordt via een golfpijp aan de applicator toegevoerd.

Omdat het veld in de metalen kast inhomogeen is, wordt een draaitafel of een lopende band toegepast om een homogene verwarming te verkrijgen. Daarnaast worden veldroerders gebruikt om het elektrische veld in de applicator te verspreiden. Daarmee wordt ook de homogeniteit van verwarming vergroot. Dit type microgolfapplicator wordt voor een breed scala aan toepassingen gebruikt; van het ontdooien van vlees, vis en boter en het pasteuriseren van voeding tot en met het drogen van textiel en keramiek.

Een andere manier om een homogene verwarming te verkrijgen is het gebruik van een golfpijp als applicator.

In het midden golfpijp heerst een homogeen veld waardoor egaal kan worden verwarmd. Het elektrische veld staat over de breedte van het product. De golfpijpapplicator is vooral geschikt voor producten met een kleine diameter of voor producten in de vorm van een smalle band. Producten die op deze manier worden verwarmd zijn textielgarens en rubberstrips.

Voor bredere banen wordt de meanderapplicator toegepast. Dit is een golfpijp die in een aantal u-bochten is gevouwen. Het product wordt dwars door het midden van de golfpijp gevoerd.

Op deze manier kunnen brede banen van een relatief dun product vrij homogeen worden verwarmd. Ook hier staat het elektrische veld langs de breedte van het product. Dit type applicator wordt onder andere toegepast voor het drogen en verwarmen van papier- en textielbanen.

Economie

Het toepassen van diëlektrische technieken leidt voor geschikte processen tot kostenbesparingen, ondanks het feit dat de techniek relatief duur is. Lagere bedrijfskosten worden vooral bereikt door een versnelling van het proces ofwel door een behoorlijke verkorting van procestijden. Doordat het product zelf wordt verwarmd kan het in korte tijd in zijn geheel in temperatuur worden verhoogd. De productiecapaciteit stijgt daarmee. Een van de mogelijkheden voor kostenbesparing als gevolg van de korte procestijden is bijvoorbeeld het omzetten van een batchproces naar een continu proces.

De investeringskosten hangen sterk af van de toepassing en van het vermogen van de installatie. Als vuistregel voor een schatting van de economische haalbaarheid kan worden uitgegaan van 1000 tot 5000 euro per kW voor radiofrequente en van 1500 tot 7000 euro per kW voor microgolfinstallaties afhankelijk van het vermogen en de uitvoering van de installatie.

Het is mogelijk om een constante kwaliteit van het product te garanderen doordat de verwarming goed regelbaar is en er gelijkmatig verwarmd kan worden in zeer korte tijd. Met diëlektrische technieken zijn innovatieve producten en processen mogelijk. Daardoor zijn er veel toepassingen van de techniek in de industrie.

Toepassingen

Diëlektrisch verwarmen en drogen wordt in de verschillende industrietakken toegepast in uiteenlopende industriële processen. Radiofrequente systemen worden vooral gebruikt in de kunststof-, de hout-, de textiel- en de voedingsmiddelenindustrie. Microgolftechnieken worden vooral in de kunststof- en de voedingsmiddelenindustrie toegepast. Onder elektrotechnologie, diëlektrisch verwarmen worden verschillende toepassingen gegeven met de verschillende soorten apparatuur die daarvoor worden gebruikt. De techniek wordt toegepast vanwege de voordelen die ze biedt in bepaalde processen. Hieronder worden een aantal voorbeelden van toepassingen opgesomd. Aangegeven wordt de voor deze toepassing meest gebruikte techniek, radiofrequente (RF) of microgolftechniek (MG).