การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

ไดอิเล็กทริกและคลื่นไมโครเวฟ

เมื่อนำวัตถุที่ไม่นำไฟฟ้า (วัตถุไดอิเล็กทริก) วางไว้ระหว่างขั้วไฟฟ้าที่เป็นแผ่นราบ 2 แผ่น แล้วจ่ายดันไฟฟ้ากระแสสลับให้ จะเกิดความร้อนขึ้นจากความสูญเสียในวัตถุไดอิเล็กทริก วัตถุไดอิเล็กทริกจะมี Electric Dipole ซึ่งมีขั้วบวกและลบอยู่ดังรูปด้านล่าง

รูปแสดงหลักการทำงานของการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

Sources: ffden-2.phys.uaf.edu, (2015)

 ซึ่งด้านขั้ว – จะถูกดึงดูดโดยขั้วไฟฟ้า + และด้านขั้ว + จะถูกดึงดูดโดยขั้วไฟฟ้า – ดังนั้น หากทิศทางขั้วของขั้วไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไป Electric Dipole จะเกิดการสั่นและหมุน ซึ่งจะเกิดการเสียดสีกับโมเลกุลรอบข้างทำให้เกิดความร้อนขึ้นเกิดความสูญเสียพลังงาน (ความสูญเสียไดอิเล็กทริก)

ความร้อนที่เกิดขึ้นแสดงได้ด้วยสมการต่อไปนี้

ทั้งนี้ สัญลักษณ์ f แทนความถี่ [Hz] สัญลักษณ์ E แทนความเข้มสนามไฟฟ้า [V/m] สัญลักษณ์ εr แทนค่าคงที่ไดอิเล็กทริกจำเพาะ สัญลักษณ์ δ แทนค่ามุมความสูญเสียไดอิเล็กทริก สัญลักษณ์ εr tan δ แทนตัวประกอบความสูญเสียไดอิเล็กทริก (หรือตัวประกอบความสูญเสีย)

จากที่อธิบายไปแล้วข้างต้น การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ เป็นการให้ความร้อนโดยใช้ประโยชน์จากความสูญเสียของวัตถุไดอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นเมื่อให้ความถี่สูงแก่วัตถุไดอิเล็กทริก ปริมาณความร้อนที่เกิดขึ้นจะแปรผันตามความถี่ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก และค่า tan δ รวมทั้งแปรผันตามกำลังสองของแรงดันไฟฟ้าอีกด้วย

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำสามารถให้ความร้อนวัตถุไดอิเล็กทริก (วัตถุที่เป็นฉนวนไฟฟ้า) จากภายในได้ด้วยประสิทธิภาพสูง สามารถให้ความร้อนได้รวดเร็ว ให้ความร้อนได้สม่ำเสมอ และสามารถให้ความร้อนเฉพาะที่ได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ก็มีจุดอ่อนที่ไม่สามารถให้ความร้อน อย่างสม่ำเสมอแก่วัตถุที่มีด้านบนและด้านล่างไม่ขนานกันได้ และเนื่องจากใช้ความถี่ที่ใกล้เคียงกับคลื่นวิทยุสื่อสาร จึงต้องมีมาตรการรองรับอย่างเหมาะสม เช่น ชีลด์ตัวเครื่อง เป็นต้น

ความถี่ที่ใช้โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 2 MHz-หลายสิบ MHz แหล่งจ่ายไฟจะใช้ออสซิเลเตอร์หลอดสูญญากาศ โครงสร้างของวงจรแสดงไว้ในรูปที่ 2 โดยแบ่งเป็นแบบ Direct load ซึ่งจะนำวัตถุที่ต้องการให้ความร้อนวางไว้ในคาปาซิเตอร์ (ขั้วไฟฟ้าให้ความร้อน) ของวงจรออสซิเลเตอร์ กับแบบวงจร Matching ซึ่งจะจ่ายพลังงานผ่านวงจร Load Matching

รูปแสดงโครงสร้างวงจรของการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

รูปแสดงโครงสร้างของเครื่องให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริกด้วยคลื่นไมโครเวฟ

กรณีที่จะให้ความร้อนวัตถุที่มีค่าตัวประกอบความสูญเสีย ε_r tan δ ค่อนข้างต่ำ การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำความถี่สูงโดยใช้แผ่นขั้วไฟฟ้าจะไม่ค่อยได้ ผล จึงนิยมใช้วิธีให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ เช่น เตาไมโครเวฟที่ใช้ระบบแมกนีตรอน ฯลฯ หลักการให้ความร้อนโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกับการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยว นำ แต่การให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟจะใช้วิธียิงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านท่อ นำคลื่นเข้าไปใส่วัตถุที่ต้องการให้ความร้อนซึ่งอยู่ใน Applicator

การให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟจะถูกกำหนดความถี่ที่ใช้งานเอาไว้เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการรบกวนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า คลื่นไมโครเวฟสำหรับเตาไมโครเวฟจะใช้ความถี่ 2,450 MHz สำหรับเครื่องให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ ในอุตสาหกรรมจะใช้ความถี่ 915 MHz กันมาก

คลื่นไมโครเวฟที่ถูกดูดกลืนในวัตถุไดอิเล็กทริก เมื่อลึกจากผิวหน้าเข้าในไปเนื้อวัตถุเรื่อยๆ จะมีความเข้มลดลง ความลึกที่ทำให้ความหนาแน่นกำลังไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ 1/2 ของที่พื้นผิว เรียกว่า ความลึกครึ่งกำลังไฟฟ้า (D) ซึ่งคำนวณได้จากสมการต่อไปนี้

เนื่องจากโดยทั่วไปวัตถุไดอิเล็กทริกจะมีสัมประสิทธิ์การนำความร้อนต่ำ ดังนั้น ขีดจำกัดที่สามารถให้ ความร้อนได้สม่ำเสมอ จึงเท่ากับประมาณ 2 เท่าของความลึกครึ่งกำลังไฟฟ้า D เท่านั้น วัตถุที่มีความหนามากกว่านี้หากไม่ให้ความร้อนเป็นระยะเวลานานพอสมควรจะไม่สามารถให้ความร้อนอย่างสม่ำเสมอได้

คุณสมบัติของการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟคือ เป็นการให้ความร้อนภายในโดยตรง จึงให้ความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ให้ความร้อนได้ด้วยประสิทธิภาพสูง ให้ความร้อนได้สม่ำเสมอแม้วัตถุจะมีรูปร่างซับซ้อน ทั้งนี้ หากมีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารั่ว จะเกิดอันตรายต่อมนุษย์ได้ จึงต้องเอาใจใส่ให้ดี และต้องควบคุมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารั่วไม่ให้เกินมาตรฐาน

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริกและคลื่นไมโครเวฟ

1.การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริก

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริกเหมาะกับการให้ความร้อนแก่วัสดุที่เกือบเป็นฉนวนไฟฟ้า เช่น ไม้ พลาสติก เส้นใย เป็นต้น ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ เนื้อในวัตถุจะได้รับความร้อนอย่างสม่ำเสมอ จึงต้องการเวลาในการให้ความร้อนไม่นาน ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริก จะเกิดความร้อนสูญเสียจากพื้นผิวของวัตถุเป้าหมายไปยังขั้วไฟฟ้าด้วยการพาความร้อน การนำความร้อน และการแผ่รังสี ดังนั้น โดยทั่วไปอุณหภูมิที่พื้นผิวจึงต่ำกว่าอุณหภูมิภายในเนื้อวัตถุ คุณลักษณะนี้มีประสิทธิผลดีในการอบแห้ง เป็นต้น

รูปเครื่องเชื่อมติดแผ่นพลาสติก

Sources: www.youtube.com :Dielectric Sealer for PVC Blister Packing , (2015)

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริกมีการนำไปใช้ดังต่อไปนี้

(1) ใช้ในการเชื่อมติดแผ่นพลาสติก ถุง ผลิตเสื้อกันฝน ใช้กำลังขาออก 3-5 kW ความถี่ 40-80 MHz
(2) ใช้ในการประกอบและขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ไม้ เช่น กระดานสกีไม้อัด ตู้ เครื่องเรือน ฯลฯ ใช้กำลังขาออก 3-30 kW ความถี่ 5-13 MHz
(3) ใช้ให้ความร้อนในการหยุดปลายเกลียวเชือกปีนเขา ตาข่ายจับปลา ฯลฯ ไม่ให้แตกปลายใช้กำลังขาออก 15-30 kW ความถี่ 13 MHz
(4) ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร เช่น การอบแห้งขนมปังกรอบ เป็นต้น

(5)   อื่นๆ เช่น การอบแห้งไม้ การติดกาวไม้อัด การเติมกำมะถันให้ยาง การฆ่าหนอน เป็นต้น

ตัวอย่างของความหนาแน่นกำลังไฟฟ้าในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริก ในการขึ้นรูปพลาสติกเบื้องต้นจะเท่ากับ 5-10 W/cm³ ในการเชื่อมติดฟิล์มพลาสติกจะเท่ากับ 5-100 W/cm³ ในการอบแห้งไม้เนื้อแข็งความหนาไม่น้อยกว่า 25 mm จะเท่ากับ 0.005~0.01 W/cm³

ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไดอิเล็กทริกจะเกิดคลื่นรั่วไหลจากเครื่องกำเนิดคลื่นความถี่สูง จากสายจ่ายไฟจากเครื่องกำเนิดคลื่นไปยังภาระ และจากอุปกรณ์ Load Matcher ได้ง่าย จึงต้องมีการชีลด์หรือฟิลเตอร์อย่างเพียงพอ

2. การให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ

ตัวอย่างการประยุกต์ที่สำคัญ ได้แก่ เตาไมโครเวฟ ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ทั่วไปของการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ ได้แก่ การอบแห้ง ให้ความร้อน ปรุง และละลายน้ำแข็งอาหาร การเติมกำมะถันในยางด้วยการให้ความร้อน การฆ่าเชื้อยาฉีด Ampoule เป็นต้น

รูปเครื่องอบไม้ด้วยคลื่นไมโครเวฟ

Sources: hebjiyuan.en.alibaba.com, (2015)

บริเวณห้องให้ความร้อนในการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ เรียกว่า Applicator โดย Applicator จะเป็นช่องว่างปิดซึ่งล้อมร้อบด้วยโลหะเหมือนกับท่อนำคลื่น และ Applicator แบ่งเป็น 3 ประเภท ได้แก่ แบบ Open แบบ Tunnel และแบบงอ แบบ Open ซึ่งใช้กันในเตาไมโครเวฟเหมาะกับการให้ความร้อนวัตถุที่มีรูปร่างหลากหลาย แบบ Tunnel เหมาะกับการให้ความร้อนวัตถุต่อเนื่องที่มีรูปร่างหน้าตัดคงที่ และแบบงอเหมาะกับการให้ความร้อนวัตถุที่มีรูปร่างเป็นแผ่นกว้าง

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

ไดอิเล็กทริกและคลื่นไมโครเวฟ