การให้ความร้อนแบบไดอิเล็คตริค (Dielectric Heating) เป็นการให้ความร้อนโดยอาศัยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ย่านคลื่นวิทยุ (f = 300 GHz – 300 MHz) หรือไมโครเวฟ (f = 300 GHz – 3 Hz) ผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุ โดยความถี่ของคลื่นจะทำให้เกิดการสั่นสะเทื่อนของโมเลกุลจนเกิดเป็นความร้อนภายในเนื้อวัสดุโดยตรง
การให้ความร้อนแบบไดอิเล็คตริคจึงแตกต่างจากการให้ความร้อนแบบเดิมที่อาศัยการถ่ายเทความร้อนโดยการพา (Convection Heating) ซึ่งความร้อนที่เกิดขึ้นจะเกิดจากการใช้อากาศพาความร้อนจากคอยล์ร้อนหรือหัวเผาเพื่อถ่ายเทไปที่ผิววัสดุ จากนั้นจึงจะเกิดการนำความร้อนจากผิวนอกของวัสดุเข้าไปภายในเนื้อวัสดุ
ดังนั้นการให้ความร้อนแบบไดอิเล็คตริคจึงสามารถให้ความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวดเร็วและสามารถกระจายความร้อนในเนื้อวัสดุได้อย่างทั่วถึงกว่าการให้ความร้อนโดยการพา
รูปแสดงการเปรียบเทียบการให้ความร้อนแบบ Electric และ High frequency dielectric
การตอบสนองของวัสดุต่อคลื่น
วัสดุหรือชิ้นผลิตภัณฑ์ที่ต้องการให้ความร้อนโดยคลื่นความถี่สูง จะต้องมีคุณสมบัติที่ตอบสนองต่อคลื่นเพื่อแปลงพลังงานของคลื่นไปเป็นความร้อนในเนื้อวัสดุได้
วัสดุที่มีโครงสร้างโมเลกุลแบบมีขั้ว
ได้แก่ น้ำหรือวัสดุที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ จะสามารถดูดซับพลังงานจากคลื่นได้ดี เนื่องจากคลื่นความถี่สูงจะทำให้โมเลกุลซึ่งมีขั้วบวกและลบพยายามเรียงตัวตามสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของคลื่นที่ส่งผ่านเข้ามา ทำให้เกิดการสั่นสะเทือนของโมเลกุลจนเกิดเป็นความร้อนกระจายทั่วภายในเนื้อวัสดุทุกส่วนที่คลื่นผ่านเข้าไป
การให้ความร้อนกับวัสดุที่มีโครงสร้างโมเลกุลแบบมีขั้ว
วัสดุที่มีโครงสร้างโมเลกุลแบบไม่มีขั้ว
ได้แก่ อากาศ เทฟล่อน หรือผลึกแก้ว จะไม่สามารถดูดซับพลังงานจากคลื่นได้ โดยคลื่นจะผ่านทะลุเข้าไปในเนื้อวัสดุโดยไม่เกิดความร้อนหรือการเปลี่ยนแปลงใดๆ
การให้ความร้อนกับวัสดุที่มีโครงสร้างโมเลกุลแบบไม่มีขั้ว
วัสดุที่เป็นโลหะ
มีคุณสมบัติในการสะท้อนคลื่นในย่านวิทยุหรือไมโครเวฟ โดยคลื่นจะไม่สามารถทะลุทะลวงเข้าไปให้ความร้อนในเนื้อโลหะได้ โลหะจึงเป็นวัสดุที่เหมาะกับการใช้ในการทำโครงสร้างเตาและตัวสะท้อนคลื่นให้อยู่ในบริเวณที่กำหนด
รูปแสดงการให้ความร้อนกับวัสดุที่เป็นโลหะ
1) การให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุ (RADIO FREQUENCY HEATING)
การให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุเป็นการให้ความร้อนที่เหมาะกับกระบวนการที่ต้องให้ความร้อนภายในเนื้อวัสดุอย่างทั่วถึงสม่ำเสมอ โดยวัสดุควรมีลักษณะรูปทรงพื้นฐานที่ไม่ซับซ้อนและสามารถมีขนาดใหญ่ได้ถึงหลายเมตร เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุ ประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก ได้แก่
รูปแสดงเตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุ
ตัวกำเนิดคลื่น
ทำด้วยหลอดสุญญากาศหรือสารกึ่งตัวนำ โดยมีระดับกำลังคลื่นตั้งแต่ 500 วัตต์ไปจนถึงหลายร้อยกิโลวัตต์
ตัวกำเนิดคลื่น
อิเล็คโทรด
เป็นส่วนปล่อยคลื่นที่ผลิตจากแหล่งกำเนิดไปยังวัสดุ ทำด้วยโลหะที่ไม่เป็นสารแม่เหล็ก ได้แก่ ทองเหลือง อลูมิเนียม ทองแดง หรือสเตนเลส โดยมีหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับวัสดุที่ต้องการให้ความร้อน
การทำงานของอิเลคโทรด
ส่วนป้องกันคลื่น
ติดตั้งในส่วนที่วัสดุได้รับคลื่นและส่วนลำเลียงวัสดุเข้าออกจากเตา เพื่อจำกัดคลื่นให้อยู่ภายในบริเวณให้ความร้อน ไม่ให้ออกมาภายนอกเตา
คุณสมบัติของคลื่น
ความถี่ของคลื่นวิทยุที่ใช้สำหรับการให้ความร้อนในอุตสาหกรรม คือ 13.56 27.12 และ 40.68 MHz ซึ่งจะสามารถผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุได้แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุและความถี่คลื่น โดยคลื่นที่ความถี่ต่ำกว่าจะสามารถผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ลึกกว่า เหมาะสำหรับการให้ความร้อนกับวัสดุที่มีขนาดใหญ่ ส่วนคลื่นความถี่สูงจะสามารถผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุได้ตื้นกว่า เหมาะสำหรับการให้ความร้อนกับวัสดุที่มีขนาดเล็ก
แสดงคุณสมบัติของคลื่นที่ความยาวคลื่นวิทยุ
การใช้งานของการให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุ (RADIO WAVE HEATING)
การให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสามารถออกแบบติดตั้งได้ทั้งในลักษณะการให้ความร้อนแบบชุด (Batch) และการให้ความร้อนแบบลำเลียงต่อเนื่อง (Continually) โดยตัวอย่างเตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับอุตสาหกรรม ได้แก่
เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับอบแห้งคุ๊กกี้และขนมปังกรอบ
เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับอบแห้งผลิตภัณฑ์เซรามิค
เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับอุ่นส่วนผสมพลาสติกก่อนอัดแผ่น
เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับการฆ่าเชื้อในอุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม
เตาให้ความร้อนโดยคลื่นวิทยุสำหรับอบแห้งสารเคลือบผืนกระดาษ
2) การให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟ (MICROWAVE HEATING)
การให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟนั้นเหมาะสมกับวัสดุที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ หรือวัสดุที่ต้องการขจัดความชื้นที่อยู่ภายในเนื้อวัสดุ ทั้งนี้การให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟสามารถให้ความร้อนกับวัสดุที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ โดยที่ขนาดของวัสดุจะต้องไม่ใหญ่เกินกว่าระดับความลึกที่คลื่นจะผ่านเข้าได้ เตาให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟ ประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก ได้แก่
2.1 ) ตัวกำเนิดคลื่น ทำด้วยหลอดแมกนิตรอน โดยมีระดับกำลังคลื่นตั้งแต่ 200 วัตต์ถึง 60 กิโลวัตต์
รูปแสดงอุปกรณ์ตัวกำเนิดคลื่น
2.2) ตัวนำคลื่น เป็นช่องทำด้วยโลหะ ได้แก่ สเตนเลส เพื่อนำคลื่นไมโครเวฟจากหลอดแมกนิตรอนไปยังวัสดุที่ต้องการให้ความร้อน
รูปแสดงตัวนำคลื่น
2.3) ส่วนป้องกันคลื่น ติดตั้งในส่วนที่วัสดุได้รับคลื่นและส่วนลำเลียงวัสดุเข้าออกจากเตา เพื่อจำกัดคลื่นให้อยู่ภายในบริเวณให้ความร้อน ไม่ให้ออกมาภายนอกเตา
คุณสมบัติของคลื่น
ความถี่ของคลื่นไมโครเวฟที่ใช้สำหรับการให้ความร้อนในอุตสาหกรรม คือ 915 MHz 2.45 GHz และ 5.8 GHz โดยจะทำงานในลักษณะเดียวกับคลื่นวิทยุ แต่ด้วยความถี่ที่สูงกว่าทำให้ลดระดับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในการสร้างคลื่นเมื่อเทียบกับคลื่นวิทยุที่มีกำลังคลื่นเท่ากัน คลื่นไมโครเวฟจะเหมาะสมกับการให้ความร้อนแก่วัสดุขนาดเล็กกว่าคลื่นวิทยุ เนื่องจากคลื่นจะสามารถผ่านเข้าไปในเนื้อวัสดุในระดับที่ตื้นกว่า
รูปแสดงคุณสมบัติของคลื่นที่ความยาวคลื่นไมโครเวฟ
การใช้งานของการให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟ
การให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟสามารถออกแบบติดตั้งได้ทั้งในลักษณะการให้ความร้อนแบบ Batch และการให้ความร้อนแบบลำเลียงต่อเนื่อง โดยตัวอย่างเตาให้ความร้อนโดยคลื่นไมโครเวฟสำหรับอุตสาหกรรม ได้แก่
รูปเตาไมโครเวฟแบบสายพานลำเลียงต่อเนื่องสำหรับอบแห้งจุกไม้ค็อก
เตาไมโครเวฟสำหรับอบแห้งเครื่องปั้นดินเผา
เตาไมโครเวฟสำหรับให้ความร้อนแผ่นยางธรรมชาติ
Bibliography
กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน. (May,16 2012). ข้อมูลเทคโนโลยีเชิงลึก การให้ความร้อนแบบไดอิเลคทริค (Dielectric Heating). Retrieved from http://www2.dede.go.th/: http://www2.dede.go.th/Advancetech/Vol2/04Sample/PDF/08dielectric.pdf
