Încălzire dielectrică

Ce este încălzirea dielectrică

Încălzirea dielectrică se referă la încălzirea dielectricilor și semiconductorilor într-un câmp electric alternativ sub influența căruia materialul încălzit este polarizat. Polarizarea este un proces de deplasare a sarcinilor asociate, care duce la apariția unui moment electric la fiecare element de volum macroscopic.

Polarizarea este împărțită în elastic și relaxare: elastică (fără inerție) determină energia câmpului electric, iar relaxarea (inerțială) determină căldura degajată în materialul încălzit. În polarizarea de relaxare de către un câmp electric extern, se lucrează pentru a depăși forțele legăturilor interne ("frecare") atomilor, moleculelor, complexelor încărcate. Jumătate din această muncă este transformată în căldură.

Puterea eliberată într-un dielectric este de obicei raportată la o unitate de volum și este calculată prin formula

unde γ este conductanța complexă conjugată a materialului, EM este intensitatea câmpului electric din material.

Conducție complexă

Aici, εr este constanta dielectrică complexă totală.

Partea reală a lui ε', numită constantă dielectrică, afectează cantitatea de energie care poate fi stocată într-un material. Partea imaginară a lui ε «, numită factor de pierdere, este o măsură a energiei (căldura) disipată în material.

Factorul de pierdere ia in considerare energia disipata in material datorita atat polarizarii, cat si a curenților de scurgere.

În practică, calculele folosesc o valoare numită tangenta unghiului de pierdere:

Tangenta unghiului de pierdere determină raportul dintre energia cheltuită pentru încălzire și energia stocată a oscilațiilor electromagnetice.

Având în vedere cele de mai sus, puterea activă specifică volumetrică, W/m3:

sau

Astfel, puterea specifică de volum este proporțională cu pătratul intensității câmpului electric din materialul încălzit, cu frecvența și cu factorul de pierdere.

Puterea câmpului electric din materialul încălzit depinde de tensiunea aplicată, constanta dielectrică ε', locația și forma electrozilor care formează câmpul. Pentru unele dintre cele mai frecvente cazuri în practică, locația electrozilor, puterea câmpului electric este calculată prin formulele prezentate în Figura 1.

Orez. 1. La calculul intensității câmpului electric: a — condensator cilindric, b — condensator plat monostrat, c, d — condensator plat multistrat cu o aranjare de straturi de materiale, respectiv, transversal și de-a lungul câmpului electric .

Trebuie remarcat faptul că valoarea maximă limită a lui Em este limitată de rezistența electrică a materialului încălzit. Tensiunea nu trebuie să depășească jumătate din tensiunea de avarie.Capacitatea pentru semințe de cereale și legume este cuprinsă în intervalul (5 … 10) 103 V / m, pentru lemn - (5 ... 40) 103 V / m, clorură de polivinil - (1 ... 10 ) 105 V / m.

Coeficientul de pierdere ε « depinde de compoziția chimică și structura materialului, de temperatura și conținutul de umiditate al acestuia, de frecvența și puterea câmpului electric din material.

Caracteristicile de încălzire dielectrică ale materialelor

Încălzirea dielectrică este utilizată în diverse industrii și agricultură.

Principalele caracteristici ale încălzirii dielectrice sunt următoarele.

1. Căldura este eliberată în materialul încălzit în sine, ceea ce face posibilă accelerarea încălzirii de zeci și sute de ori (comparativ cu încălzirea convectivă).Acest lucru este vizibil mai ales pentru materialele cu conductivitate termică scăzută (lemn, cereale, materiale plastice etc.). ).

2. Încălzirea dielectrică este selectivă: puterea volumetrică specifică și, în consecință, temperatura fiecărei componente a unui material neomogen este diferită. Această funcție este utilizată în agricultură, de exemplu la dezinfectarea cerealelor și la murarea viermilor de mătase,

3. În timpul uscării dielectrice, căldura este eliberată în interiorul materialului și de aceea temperatura în centru este mai mare decât în ​​periferie. Umiditatea din interiorul materialului trece de la umed la uscat și de la cald la rece. Deci, în timpul uscării convective, temperatura din interiorul materialului este mai mică decât la periferie, iar fluxul de umiditate datorat gradientului de temperatură împiedică umiditatea să se deplaseze la suprafață. Acest lucru reduce foarte mult eficacitatea uscării convective. În uscarea dielectrică, fluxurile de umiditate datorate diferenței de temperatură și conținutului de umiditate coincid.Acesta este principalul avantaj al uscării dielectrice.

4. La încălzirea și uscarea într-un câmp electric cu o frecvență înaltă, coeficientul de pierdere scade și, în consecință, puterea fluxului de căldură. Pentru a menține puterea la nivelul necesar, trebuie să schimbați frecvența sau tensiunea furnizată condensatorului.

Instalatii de incalzire dielectrica

Industria produce atât instalații specializate de înaltă frecvență destinate tratamentului termic al unuia sau mai multor tipuri de produse, cât și instalații de uz general. În ciuda acestor diferențe, toate instalațiile de înaltă frecvență au aceeași diagramă structurală (Fig. 2).

Materialul este încălzit în condensatorul de lucru al dispozitivului de înaltă frecvență 1. Tensiunea de înaltă frecvență este furnizată condensatorului de lucru prin blocul de circuite oscilante intermediare 2, proiectat pentru reglarea puterii și reglarea generatorului 3. Generatorul lămpii transformă tensiune continuă primită de la redresorul semiconductor 4, în tensiune alternativă de înaltă frecvență. În același timp, cel puțin 20 ... 40% din toată energia primită de la redresor este cheltuită în generatorul lămpii.

Cea mai mare parte a energiei se pierde la anodul lămpii, care trebuie răcit cu apă. Anodul lămpii este alimentat față de pământ 5 … 15 kV, prin urmare sistemul de alimentare izolată cu apă de răcire este foarte complex. Transformatorul 5 este proiectat pentru a crește tensiunea rețelei la 6 ... 10 kV și a deconecta conexiunea conductivă dintre generator și rețeaua electrică. Blocul 6 este folosit pentru a porni și opri instalația, pentru a efectua secvențial operațiuni tehnologice și pentru a proteja împotriva modurilor de urgență.

Instalațiile de încălzire dielectrică diferă unele de altele prin puterea și frecvența generatorului, în construcția echipamentelor auxiliare concepute pentru deplasarea și menținerea materialului prelucrat, precum și pentru impactul mecanic asupra acestuia.

Orez. 2. Schema bloc a instalației de înaltă frecvență: 1 — dispozitiv de înaltă frecvență cu un condensator de sarcină, 2 — un bloc de circuite intermediare oscilante cu un regulator de putere, capacități de reglare și inductanțe, 3 — generator de lămpi cu separare de anozi și rețea circuite, 4 — redresor cu semiconductor : 5 — transformator step-up, c — bloc care protejează instalația de moduri de funcționare anormale.

Industria produce un număr mare de instalații de înaltă frecvență pentru diverse scopuri. Pentru tratarea termică a produselor se folosesc generatoare seriale de înaltă frecvență, pentru care se fabrică dispozitive specializate.

Alegerea unui generator pentru încălzire cu un dielectric se reduce la determinarea puterii și frecvenței acestuia.

Puterea de oscilație Pg a generatorului de înaltă frecvență trebuie să fie mai mare decât fluxul de căldură Ф necesar pentru tratarea termică a materialului prin valoarea pierderilor în condensatorul de lucru și blocul circuitelor intermediare oscilante:

unde ηk este randamentul condensatorului de lucru, în funcție de aria suprafeței de transfer de căldură, coeficientul de transfer de căldură și diferența de temperatură dintre material și mediu ηk = 0,8 ... 0,9, ηe este randamentul electric al circuitul oscilant ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — randament, ținând cont de pierderile în firele de legătură de înaltă frecvență ηl = 0,9 … 0,95.

Puterea consumată de generator din rețea:

Aici ηg este randamentul generatorului ηg = 0,65 … 0,85.

Eficiența totală a unei instalații de înaltă frecvență este determinată de produsul randamentului tuturor unităților sale și este egală cu 0,3 ... ... 0,5.

O astfel de eficiență scăzută este un factor important care împiedică utilizarea pe scară largă a încălzirii dielectrice în producția agricolă.

Performanța energetică a instalațiilor de înaltă frecvență poate fi îmbunătățită prin utilizarea căldurii disipate de generator.

Frecvența curentului la încălzirea dielectricilor și semiconductorilor este selectată pe baza fluxului de căldură necesar F. În tratamentul termic al produselor agricole, debitul volumic specific este limitat de rata admisă de încălzire și uscare. Din raportul de forțe din condensatorul de lucru avem

unde V este volumul materialului încălzit, m3.

Frecvența minimă la care procesul tehnologic are loc la o viteză dată:

unde Emax este intensitatea maximă admisă a câmpului electric din material, V / m.

Pe măsură ce frecvența crește, Em scade și, prin urmare, crește fiabilitatea procesului tehnologic. Cu toate acestea, există unele limitări la creșterea frecvenței. Nu este practic să creșteți frecvența dacă raportul pierderilor scade brusc. De asemenea, pe măsură ce frecvența crește, devine din ce în ce mai dificilă potrivirea parametrilor sarcinii și ai generatorului. Frecvența maximă, Hz, la care este furnizat acest acord:

unde L și C sunt valorile echivalente minime posibile ale inductanței și capacității circuitului de sarcină cu un condensator de lucru.

Cu dimensiuni liniare mari ale condensatorului de lucru, o creștere a frecvenței poate duce la o distribuție neuniformă a tensiunii pe electrod și, prin urmare, la încălzire neuniformă. Frecvența maximă admisă, Hz, pentru această condiție

unde l este cea mai mare dimensiune a plăcii a condensatorului de lucru, m.