射频加热仿真
理论：用电极间电场从内部加热
概述
射频加热和微波加热有什么不同？
两者都利用材料的介电损耗发热，但频率和装置形式不同。射频加热把27 MHz等较低频率加在两块平行电极之间。波长11 m，比装置长得多，所以电极之间像电容一样形成均匀电场，厚材料也能均匀加热到内部。微波为2.45 GHz，波长只有12 cm，腔内形成驻波，在含水多的材料中从表面起几厘米就减弱了。射频加热中电场只需用电压除以电极间距估算，但材料与电极的间隙和厚度不均会大大改变电场，这需要用分析来把握。
发热与电场
f = 27.12 MHz，ε''为介电损耗因子，V为电极间电压（有效值），d为电极间距。最后一式为厚t_mat的材料与厚t_air的空气串联时材料中的电场。
高频焊接与胶合板
高频介电加热于1930～40年代开始工业应用，二战期间用于快速固化飞机用胶合板的胶粘剂。战后用高频熔化连接聚氯乙烯片材的高频焊接机普及，广泛用于雨衣、医用袋、文具的制造。聚乙烯之所以不能高频焊接，是因为其损耗因子很小，几乎不发热。
算例
例1：各材料发热（27.12 MHz、5 kV、电极间50 mm、电场100 kV/m）
| 材料 | ε′ | ε″ | 发热密度 | 升温速率 | 穿透深度 |
|---|---|---|---|---|---|
| 湿木材 | 4 | 0.5 | 7.5 MW/m³ | 8.9 K/s | 7.1 m |
| 聚氯乙烯 | 3.0 | 0.15 | 2.3 MW/m³ | 1.6 K/s | 20 m |
| 聚乙烯 | 2.3 | 0.0005 | 7.5 kW/m³ | 0.003 K/s | 极深 |
同样的木材在2.45 GHz微波下穿透深度为78 mm。聚氯乙烯与聚乙烯发热之比为300倍。介电常数为代表值。
例2：空气间隙的影响（电极间50 mm、木材ε′ = 4）
| 空气间隙 | 木材中电场 | 电场比例 | 发热比例 |
|---|---|---|---|
| 0 mm | 100 kV/m | 100% | 100% |
| 1 mm | 94.3 kV/m | 94% | 89% |
| 2 mm | 89.3 kV/m | 89% | 80% |
| 5 mm | 76.9 kV/m | 77% | 59% |
即使2 mm的间隙，发热也减少了两成。
木材介电常数是空气的4倍，同样厚度时空气承担4倍电压。2 mm的空气相当于分走了8 mm木材的电压。而且发热与电场平方成正比，电场下降一成，发热就下降两成。实际木材厚度和翘曲有差异，接触电极的地方和悬空的地方发热不同，成为加热不均和烧焦的原因。另外越湿的部分损耗因子越大越容易升温，变干后损耗因子下降，也有自然平均不均的作用。通过电场、温度、水分的耦合来预测这些效应，就是射频加热仿真。
仿真流程
- 准备材料介电常数（ε′、ε″）随频率、温度、水分变化的函数。
- 包括电极、材料和间隙，用准静电场（或频域）求解电场。
- 以发热为热源，求解温度和（必要时）水分迁移。
- 按温度和水分更新介电常数，反复求解电场和热。
- 确认电极边缘的电场集中和材料角部过热。
“只有边缘烧焦的胶合”
某木材高频胶合工序中，出现板边缘烧焦、中央胶粘剂固化不充分的问题。电场分析表明，电极比板稍大，电极边缘附近电场集中；而且板中央稍有翘曲离开电极，空气间隙使中央电场下降。把电极尺寸与板匹配，并加压抑制翘曲后，温度不均减小，问题消失。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 忽略空气间隙 | 高估发热 | 包含间隙求解 |
| 介电常数取常数 | 干燥进程算错 | 按水分、温度函数 |
| 漏掉电极边缘集中 | 边缘烧焦 | 匹配电极尺寸 |
| 混淆峰值与有效值电压 | 发热差2倍 | 用有效值计算 |
| 按微波的感觉考虑 | 误解穿透深度 | 按准静电场处理 |
我想了解相关内容。
详细
报告