Dielektrisk opvarmning

Hvad er dielektrisk opvarmning

Dielektrisk opvarmning refererer til opvarmning af dielektriske stoffer og halvledere i et vekslende elektrisk felt under påvirkning af hvilket det opvarmede materiale polariseres. Polarisering er en proces med forskydning af tilhørende ladninger, hvilket fører til fremkomsten af ​​et elektrisk moment ved hvert makroskopisk volumenelement.

Polarisering er opdelt i elastik og afslapning: elastisk (uden inerti) bestemmer energien i det elektriske felt, og afslapning (inertial) bestemmer den varme, der frigives i det opvarmede materiale. Ved afslapningspolarisering af et eksternt elektrisk felt arbejdes der på at overvinde kræfterne fra de indre bindinger ("friktion") af atomer, molekyler, ladede komplekser. Halvdelen af ​​dette arbejde omdannes til varme.

Den effekt, der frigives i et dielektrikum, refereres normalt til en volumenhed og beregnes ved formlen

hvor γ er materialets komplekse konjugerede konduktans, EM er den elektriske feltstyrke i materialet.

Kompleks ledning

Her er εr den samlede komplekse dielektriske konstant.

Den reelle del af ε', kaldet dielektricitetskonstanten, påvirker mængden af ​​energi, der kan lagres i et materiale. Den imaginære del af ε «, kaldet tabsfaktoren, er et mål for den energi (varme), der afgives i materialet.

Tabsfaktoren tager højde for den energi, der afgives i materialet på grund af både polarisering og lækstrømme.

I praksis bruger beregninger en værdi kaldet tabsvinkeltangens:

Tabsvinklens tangent bestemmer forholdet mellem energien brugt på opvarmning og den lagrede energi af elektromagnetiske svingninger.

I betragtning af ovenstående, den volumetriske specifikke aktive effekt, W / m3:

eller

Den specifikke volumeneffekt er således proportional med kvadratet af den elektriske feltstyrke i det opvarmede materiale, frekvensen og tabsfaktoren.

Styrken af ​​det elektriske felt i det opvarmede materiale afhænger af den påførte spænding, den dielektriske konstant ε ', placeringen og formen af ​​elektroderne, der danner feltet. For nogle af de mest almindelige tilfælde i praksis, placeringen af ​​elektroderne, er styrken af ​​det elektriske felt beregnet ved hjælp af formlerne vist i figur 1.

Ris. 1. Til beregning af styrken af ​​det elektriske felt: a — cylindrisk kondensator, b — flad enkeltlagskondensator, c, d — flad flerlagskondensator med et arrangement af lag af materialer, henholdsvis i tværgående og langs det elektriske felt .

Det skal bemærkes, at den begrænsende maksimale værdi af Em er begrænset af den elektriske styrke af det opvarmede materiale. Spændingen bør ikke overstige halvdelen af ​​gennemslagsspændingen.Kapaciteten til frø af korn og grøntsagsafgrøder er taget i området (5 … 10) 103 V/m, for træ — (5 … 40) 103 V/m, polyvinylchlorid — (1 … 10 ) 105 V/m.

Tabskoefficienten ε « afhænger af materialets kemiske sammensætning og struktur, dets temperatur og fugtindhold, af frekvensen og styrken af ​​det elektriske felt i materialet.

Materialers dielektriske opvarmningsegenskaber

Dielektrisk opvarmning bruges i forskellige industrier og landbrug.

De vigtigste egenskaber ved dielektrisk opvarmning er som følger.

1. Der frigives varme i selve det opvarmede materiale, hvilket gør det muligt at accelerere opvarmningen med tiere og hundrede gange (i forhold til konvektiv opvarmning) Dette er især mærkbart for materialer med lav varmeledningsevne (træ, korn, plast mv.). ).

2. Dielektrisk opvarmning er selektiv: den specifikke volumetriske effekt og følgelig temperaturen af ​​hver komponent i et inhomogent materiale er forskellig. Denne funktion bruges i landbruget, for eksempel ved desinficering af korn og syltning af silkeorme,

3. Under dielektrisk tørring frigives varme inde i materialet, og derfor er temperaturen i midten højere end i periferien. Fugt inde i materialet bevæger sig fra vådt til tørt og fra varmt til koldt. Så under konvektiv tørring er temperaturen inde i materialet lavere end ved periferien, og strømmen af ​​fugt på grund af temperaturgradienten forhindrer fugt i at bevæge sig til overfladen. Dette reducerer i høj grad effektiviteten af ​​konvektiv tørring. Ved dielektrisk tørring falder fugtstrømmene på grund af temperaturforskellen og fugtindholdet sammen.Dette er den største fordel ved dielektrisk tørring.

4. Ved opvarmning og tørring i et elektrisk felt med høj frekvens falder tabskoefficienten og følgelig varmestrømmens effekt. For at holde strømmen på det krævede niveau skal du ændre frekvensen eller spændingen, der leveres til kondensatoren.

Dielektriske varmeinstallationer

Industrien producerer både specialiserede højfrekvente installationer beregnet til varmebehandling af en eller flere typer produkter, samt installationer til almen brug. På trods af disse forskelle har alle højfrekvente installationer det samme konstruktionsdiagram (fig. 2).

Materialet opvarmes i højfrekvensanordningens 1 arbejdskondensator. Højfrekvensspændingen tilføres arbejdskondensatoren gennem blokken af ​​mellemsvingningskredsløb 2, designet til effektregulering og generatorregulering 3. Lampegeneratoren konverterer jævnspænding modtaget fra halvlederensretteren 4 i højfrekvent vekselspænding. Samtidig bruges mindst 20 ... 40% af al den energi, der modtages fra ensretteren, i lampegeneratoren.

Det meste af energien går tabt ved lampens anode, som skal afkøles med vand. Lampens anode er forsynet i forhold til jorden 5 ... 15 kV, derfor er systemet med isoleret forsyning af kølevand meget komplekst. Transformer 5 er designet til at øge netværksspændingen til 6 ... 10 kV og afbryde den ledende forbindelse mellem generatoren og det elektriske netværk. Blok 6 bruges til at tænde og slukke for installationen, sekventielt udføre teknologiske operationer og beskytte mod nødtilstande.

Dielektriske varmeinstallationer adskiller sig fra hinanden i kraften og frekvensen af ​​generatoren, i konstruktionen af ​​hjælpeudstyr designet til at flytte og holde det forarbejdede materiale såvel som for mekanisk påvirkning på det.

Ris. 2. Blokdiagram over højfrekvensinstallationen: 1 — højfrekvent enhed med en belastningskondensator, 2 — en blok af mellemliggende oscillerende kredsløb med en effektregulator, trimning af kapacitanser og induktanser, 3 — lampegenerator med adskillelse af anoder og netværk kredsløb, 4 — halvlederensretter : 5 — step-up transformer, c — blok, der beskytter installationen mod unormale driftstilstande.

Industrien producerer en lang række højfrekvente installationer til forskellige formål. Til varmebehandling af produkter anvendes serielle højfrekvente generatorer, til hvilke der fremstilles specialiserede enheder.

At vælge en generator til opvarmning med et dielektrisk kommer ned til at bestemme dens effekt og frekvens.

Højfrekvensgeneratorens oscillerende effekt Pg skal være større end den varmestrøm Ф, der er nødvendig for varmebehandlingen af ​​materialet, med værdien af ​​tabene i arbejdskondensatoren og blokken af ​​de mellemliggende oscillerende kredsløb:

hvor ηk er effektiviteten af ​​arbejdskondensatoren, afhængig af arealet af varmeoverførselsfladen, varmeoverførselskoefficienten og temperaturforskellen mellem materialet og mediet ηk = 0,8 ... 0,9, ηe er den elektriske virkningsgrad af oscillerende kredsløb ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — effektivitet under hensyntagen til tab i højfrekvente forbindelsesledninger ηl = 0,9 … 0,95.

Strøm forbrugt af generatoren fra nettet:

Her er ηg generatoreffektiviteten ηg = 0,65 … 0,85.

Den samlede effektivitet af en højfrekvent installation bestemmes af produktet af effektiviteten af ​​alle dens enheder og er lig med 0,3 ... ... 0,5.

En så lav effektivitet er en vigtig faktor, der forhindrer den udbredte brug af dielektrisk opvarmning i landbrugsproduktionen.

Højfrekvente installationers energiydelse kan forbedres ved at bruge den varme, som generatoren afgiver.

Frekvensen af ​​strømmen ved opvarmning af dielektrika og halvledere vælges ud fra den nødvendige varmestrøm F. Ved varmebehandling af landbrugsprodukter er den specifikke volumenstrøm begrænset af den tilladte opvarmnings- og tørringshastighed. Fra balancen af ​​kræfter i den arbejdskondensator, vi har

hvor V er volumenet af opvarmet materiale, m3.

Minimumsfrekvensen, hvormed den teknologiske proces finder sted ved en given hastighed:

hvor Emax er den maksimalt tilladte elektriske feltstyrke i materialet, V/m.

Når frekvensen stiger, falder Em, og derfor øges pålideligheden af ​​den teknologiske proces. Der er dog nogle begrænsninger for at øge frekvensen. Det er upraktisk at øge frekvensen, hvis tabsforholdet falder kraftigt. Også efterhånden som frekvensen stiger, bliver det stadig sværere at matche parametrene for belastningen og generatoren. Maksimal frekvens, Hz, hvor denne aftale er tilvejebragt:

hvor L og C er de mindst mulige ækvivalente værdier af induktans og kapacitans af belastningskredsløbet med en arbejdskondensator.

Med store lineære dimensioner af arbejdskondensatoren kan en stigning i frekvensen føre til en ujævn fordeling af spændingen på elektroden og derfor til ujævn opvarmning. Den maksimalt tilladte frekvens, Hz, for denne tilstand

hvor l er den største pladestørrelse af arbejdskondensatoren, m.