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Mar 20, 2023

Hochfrequenzerwärmung und -trocknung: Die Welle der Zukunft

Timothy D. Clark, Präsident und CEO, Radio Frequency Company, Inc. | 04. Januar 2023

Timothy D. Clark, Präsident und CEO, Radio Frequency Company, Inc. | 04. Januar 2023

Hochfrequenz-(RF)-Heiz- und Trocknungssysteme nutzen elektromagnetische Energie, um viele Arten von Schüttgütern sowie Fertigprodukte schnell und mit hervorragender Geschwindigkeit und Effizienz zu erhitzen und zu trocknen. Im Allgemeinen benötigen sie nur einen Bruchteil der Grundfläche herkömmlicher Heiztechnologien, erzeugen keine Treibhausgase, erfordern keine hohen Prozesstemperaturen und bieten eine hervorragende Kontrolle des endgültigen Feuchtigkeitsgehalts und der Gleichmäßigkeit.

Heutzutage rüsten viele Hersteller neue HF-Systeme im Einklang mit ihren bestehenden traditionellen Technologien nach, um die Produktivität zu steigern oder kritische Probleme bei der Feuchtigkeitskontrolle zu lösen. Dieser hybride Ansatz hat einen überzeugenden ROI gezeigt und gleichzeitig die Energieeffizienz und die Qualität des Endprodukts erhöht.

Bevor wir eine Analyse der verfügbaren Geräte und Trocknungsanwendungen durchführen, werfen wir zunächst einen Blick darauf, was elektromagnetische Energie ist. Unten ist das elektromagnetische Energiespektrum mit sichtbarem Licht zur Mitte hin dargestellt. Auf der linken Seite haben wir steigende Frequenzen und höhere Energieniveaus hin zu Röntgenstrahlen und Gammastrahlen, die beide Formen „ionisierender“ Strahlung sind. Wird oft als „Bestrahlung“ bezeichnet. Auf der rechten Seite haben wir abnehmende Frequenzen und abnehmende Energie in Richtung Mikrowellen und noch tiefer, Radiowellen. Sowohl Mikrowellen als auch HF sind Formen „nichtionisierender“ Strahlung und dürfen nicht mit „Bestrahlung“ verwechselt werden.

Elektromagnetisches Energiespektrum

Die Definition von „ionisierender Strahlung“ vom CDC ist „eine Energieform, die durch die Entfernung von Elektronen aus Atomen und Molekülen wirkt.“ HF-Energie spaltet keine Atome.

Die einzigartige Struktur des polaren Wassermoleküls H2O ist die Grundlage für die thermische Reaktion von Wasser, wenn es einem wechselnden HF-Energiefeld ausgesetzt wird. Ein Wassermolekül ist magnetisch polar, da die Elektronen zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffatomen ungleichmäßig verteilt sind. In einem Hochfrequenz-Heizsystem erzeugt der HF-Generator ein elektrisches Wechselfeld zwischen zwei Elektroden oberhalb und unterhalb des Förderers. Dadurch drehen sich die Wassermoleküle in Richtung des Gegenpols, ähnlich wie sich ein Stabmagnet in einem oszillierenden Magnetfeld drehen würde. Durch die ständige Rotation entstehen schnell Reibung und Hitze.

Polares Wassermolekül

Bei der Entscheidung, ob diese Technologie in einem Trocknungsprozess eingesetzt werden soll, sind einige der bemerkenswerten Prozessmerkmale der RF-Erwärmung und -Trocknung wie folgt:

Präzise und gleichmäßige Feuchtigkeitskontrolle. Das Besondere an der Radiofrequenz ist, dass sie ein Produkt bevorzugt dort erhitzt, wo der Feuchtigkeitsgehalt am höchsten ist. Viele Trocknungsprozesse werden dadurch verlängert, dass herkömmliche Wärme nicht in das Innere eines Materials eindringen kann, was die Trocknungszeit für die letzten paar Prozent Feuchtigkeit, die getrocknet oder ausgehärtet werden müssen, erheblich verlängert. Bei Produkten mit gleichmäßiger Feuchtigkeitsverteilung erfolgt die Erwärmung volumetrisch und augenblicklich.

Niedrige Trocknungstemperaturen. In den meisten Anwendungen ist die Temperatur auf den Siedepunkt von Wasser begrenzt. Diese Art der Trocknung wird manchmal als In-situ-Trocknung bezeichnet, da das Wasser das Material als Gas und nicht durch Kapillarwirkung durch Oberflächenerwärmung verlässt. Da die Trocknung in situ erfolgt, bleiben die in vielen wässrigen Beschichtungen und Bindemitteln enthaltenen Feststoffe gleichmäßig in den Materialien verteilt, anstatt an die Oberfläche zu wandern und eine Kruste zu bilden.

Extrudierte keramische Dieselpartikelfilter und Katalysatorsubstrate

Gleichmäßiges Schrumpfen. Viele Produkte, wie z. B. Keramik, schrumpfen beim Trocknen, und wenn die Außenseite vor der Innenseite trocknet, können Risse an der Oberfläche ein großes Qualitätsproblem darstellen. Aus diesem Grund werden Katalysatorsubstrate für Kraftfahrzeuge mit RF getrocknet. Durch volumetrisches Erhitzen und Trocknen erfolgt außerdem eine gleichmäßige Schrumpfung und die Vermeidung von Oberflächenrissen.

420 kW HF-Trocknungssystem für Dieselpartikelfilter

Fähigkeit, isolierende Materialien zu durchdringen. Konventionelles Erhitzen funktioniert gut, wenn die Wärmeleitfähigkeit eines Produkts hoch ist. Allerdings sind die Wirkungsgrade bei einem isolierenden Material schlecht. In der gesamten Backindustrie wird ein hybrider Ansatz verwendet, bei dem herkömmliche gasbefeuerte Öfen zu Beginn des Backprozesses verwendet werden, wenn der Teig einen hohen Feuchtigkeitsgehalt hat und ein guter Wärmeleiter ist, und anschließend RF, wenn das Produkt Lockerheit entwickelt eine Krümelstruktur, in die heiße Luft nur schwer eindringen kann, ohne die Oberfläche zu verbrennen.

240-kW-Radiofrequenz-Trocknungssystem für Vlieswatten

Energieeffizient. Die HF-Energie ist sofort einsatzbereit, es ist keine Aufwärmzeit zum Vorwärmen schwerer Strukturen oder großer Luftmengen erforderlich. Auch wenn sich kein Produkt im System befindet, ist der Stromverbrauch minimal. Strom wird nur dann verbraucht, wenn sich Material im System befindet, und im Verhältnis zur zu entfernenden Wassermenge oder zu erwärmenden Masse verbraucht. Die Wärme aus der Generatorkühlung wird zurückgewonnen und im Trocknungsprozess zur Feuchtigkeitsentfernung genutzt, wodurch die Effizienz der HF-Heiztechnologie weiter gesteigert wird.

Reduzierung der Fabrikfläche. Typischerweise benötigen RF-Trocknungssysteme ein Fünftel der Stellfläche, die herkömmliche Trocknungstechnologien benötigen. Dies liegt daran, dass keine Verweilzeit erforderlich ist, damit die Wärme von außen nach innen gelangt. Die HF-Erwärmung erfolgt augenblicklich in allen Dimensionen des zu trocknenden oder auszuhärtenden Materials.

Mikrowelle vs. Radiofrequenz. Obwohl Mikrowellen und HF beides Formen der elektromagnetischen Erwärmung sind, gibt es im Vergleich zu industriellen Trocknungsanwendungen deutliche Unterschiede, die berücksichtigt werden müssen. Die Eindringtiefe ist eine Schlüsselvariable bei der Verarbeitung dickerer Materialien oder der Produktbetttiefe auf einem Schüttgutförderband. Bei Mikrowellenfrequenzen (900-2.450 MHz) ist die Eindringtiefe auf ca. Bei HF-Frequenzen (13,56 bis 40,68 MHz) erhöht sich die Eindringtiefe auf mehrere Fuß. Ein weiterer Aspekt der Mikrowellenenergie besteht darin, dass Resonanzhohlräume von Natur aus ungleichmäßig sind, sodass häufig heiße und kalte Stellen auftreten. Daher sind Drehteller erforderlich, um die Gleichmäßigkeit der Erwärmung zu erhöhen. HF-Heizsysteme transportieren Materialien zwischen zwei Elektrodenanordnungen oberhalb und unterhalb des Produkts, wo die Energieverteilung gleichmäßig auf die Produktladung ausgeübt wird. Allerdings können Mikrowellensysteme eine gute Wahl für Produkte mit zusammengesetzten Krümmungen oder komplexen Formen sein, die sich nicht gut für die HF-Erwärmung eignen.

Heutzutage können Hersteller aus einer großen Vielfalt an HF-Systemen wählen, die in einer breiten Palette von Leistungsausgängen und Konfigurationen erhältlich sind, sodass die richtige Lösung hinsichtlich Budget und Prozessfähigkeiten gefunden werden kann. Obwohl RF im Vorfeld kapitalintensiv sein kann, sind sie auch energieeffizient und erfordern weniger Wartung als herkömmliche Trocknungstechnologien. Kapital- und laufende Kosten lassen sich anhand von Beispielgeschäftsfällen, die von jedem Lieferanten erstellt und eingereicht werden können, einfach berechnen. Außerdem sind von den meisten HF-Herstellern Mustertests und Machbarkeitsstudien verfügbar, was die Erforschung dieser Heiztechnologie einfacher denn je macht.

Timothy D. Clark ist Präsident und CEO der Radio Frequency Company, Inc. (Millis, MA). Für weitere Informationen rufen Sie 508-376-9555 an oder besuchen Sie radiofrequenz.com.

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