Dielektrično ogrevanje

Kaj je dielektrično ogrevanje

Dielektrično segrevanje se nanaša na segrevanje dielektrikov in polprevodnikov v izmeničnem električnem polju, pod vplivom katerega se segreti material polarizira. Polarizacija je proces premikanja povezanih nabojev, ki vodi do pojava električnega momenta na vsakem elementu makroskopske prostornine.

Polarizacija se deli na elastično in relaksacijsko: elastična (brez vztrajnosti) določa energijo električnega polja, relaksacija (iertalna) pa določa toploto, ki se sprošča v segretem materialu. Pri relaksacijski polarizaciji z zunanjim električnim poljem poteka delo za premagovanje sil notranjih vezi (»trenja«) atomov, molekul, nabitih kompleksov. Polovica tega dela se pretvori v toploto.

Moč, sproščena v dielektriku, se običajno nanaša na enoto prostornine in se izračuna po formuli

kjer je γ kompleksna konjugirana prevodnost materiala, EM je električna poljska jakost v materialu.

Kompleksna prevodnost

Tu je εr skupna kompleksna dielektrična konstanta.

Realni del ε', imenovan dielektrična konstanta, vpliva na količino energije, ki se lahko shrani v materialu. Imaginarni del ε «, imenovan faktor izgube, je merilo energije (toplote), ki se razprši v materialu.

Faktor izgube upošteva razpršeno energijo v materialu zaradi polarizacijskih in uhajalnih tokov.

V praksi se pri izračunih uporablja vrednost, imenovana tangens kota izgube:

Tangens izgubnega kota določa razmerje med energijo, porabljeno za ogrevanje, in shranjeno energijo elektromagnetnih nihanj.

Glede na zgoraj navedeno, volumetrična specifična aktivna moč, W / m3:

oz

Tako je specifična prostorninska moč sorazmerna s kvadratom električne poljske jakosti v segretem materialu, frekvenco in faktorjem izgube.

Moč električnega polja v segretem materialu je odvisna od uporabljene napetosti, dielektrične konstante ε ', lokacije in oblike elektrod, ki tvorijo polje. Za nekatere najpogostejše primere v praksi se lokacija elektrod izračuna jakost električnega polja po formulah, prikazanih na sliki 1.

riž. 1. Za izračun jakosti električnega polja: a - cilindrični kondenzator, b - ploščat enoslojni kondenzator, c, d - ploščat večplastni kondenzator z razporeditvijo plasti materialov v prečnem in vzdolžnem električnem polju .

Upoštevati je treba, da je mejna največja vrednost Em omejena z električno trdnostjo segretega materiala. Napetost ne sme presegati polovice prebojne napetosti.Zmogljivost za semena žitnih in zelenjavnih pridelkov se vzame v območju (5 ... 10) 103 V / m, za les - (5 ... 40) 103 V / m, polivinilklorid - (1 ... 10 ) 105 V / m.

Koeficient izgube ε « je odvisen od kemične sestave in zgradbe materiala, njegove temperature in vsebnosti vlage, od frekvence in jakosti električnega polja v materialu.

Dielektrične segrevalne lastnosti materialov

Dielektrično ogrevanje se uporablja v različnih industrijah in kmetijstvu.

Glavne značilnosti dielektričnega ogrevanja so naslednje.

1. Toplota se sprošča v samem segretem materialu, kar omogoča desetin in stokratno pospešitev segrevanja (v primerjavi s konvektivnim ogrevanjem).To je še posebej opazno pri materialih z nizko toplotno prevodnostjo (les, žito, plastika itd.). ).

2. Dielektrično segrevanje je selektivno: specifična volumetrična moč in s tem temperatura vsake komponente nehomogenega materiala je drugačna. Ta funkcija se uporablja v kmetijstvu, na primer pri razkuževanju žita in luženju sviloprejk,

3. Pri dielektričnem sušenju se v notranjosti materiala sprošča toplota, zato je temperatura v središču višja kot na obrobju. Vlaga v materialu se premika iz mokrega v suho in iz vročega v hladno. Tako je pri konvektivnem sušenju temperatura v notranjosti materiala nižja kot na obrobju, pretok vlage zaradi temperaturnega gradienta pa preprečuje, da bi vlaga prešla na površino. To močno zmanjša učinkovitost konvektivnega sušenja. Pri dielektričnem sušenju tokovi vlage zaradi temperaturne razlike in vsebnosti vlage sovpadajo.To je glavna prednost dielektričnega sušenja.

4. Pri segrevanju in sušenju v električnem polju z visoko frekvenco se koeficient izgube zmanjša in s tem tudi moč toplotnega toka. Če želite ohraniti moč na zahtevani ravni, morate spremeniti frekvenco ali napetost, ki se dovaja kondenzatorju.

Dielektrične ogrevalne instalacije

Industrija proizvaja tako specializirane visokofrekvenčne naprave, namenjene toplotni obdelavi ene ali več vrst izdelkov, kot tudi naprave za splošno uporabo. Kljub tem razlikam imajo vse visokofrekvenčne instalacije enak strukturni diagram (slika 2).

Material se segreje v delovnem kondenzatorju visokofrekvenčne naprave 1. Visokofrekvenčna napetost se napaja v delovni kondenzator skozi blok vmesnih nihajnih vezij 2, zasnovanih za regulacijo moči in regulacijo generatorja 3. Generator svetilke pretvori enosmerna napetost, prejeta iz polprevodniškega usmernika 4, v visokofrekvenčni izmenični napetosti. Hkrati se v generatorju žarnice porabi vsaj 20 ... 40% vse energije, prejete iz usmernika.

Največ energije se izgubi na anodi žarnice, ki mora biti hlajena z vodo. Anoda svetilke je napajana glede na zemljo 5 ... 15 kV, zato je sistem izoliranega dovoda hladilne vode zelo zapleten. Transformator 5 je zasnovan tako, da poveča omrežno napetost na 6 ... 10 kV in odklopi prevodno povezavo med generatorjem in električnim omrežjem. Blok 6 se uporablja za vklop in izklop napeljave, zaporedno izvajanje tehnoloških operacij in zaščito pred izrednimi načini.

Dielektrične ogrevalne naprave se med seboj razlikujejo po moči in frekvenci generatorja, konstrukciji pomožne opreme, namenjene premikanju in zadrževanju obdelovanega materiala, pa tudi za mehanske vplive nanj.

riž. 2. Blokovni diagram visokofrekvenčne instalacije: 1 - visokofrekvenčna naprava z obremenitvenim kondenzatorjem, 2 - blok vmesnih nihajnih vezij z regulatorjem moči, prirezovanjem kapacitivnosti in induktivnosti, 3 - generator svetilke z ločitvijo anod in omrežja vezja, 4 — polprevodniški usmernik : 5 — povečevalni transformator, c — blok, ki ščiti napravo pred nenormalnimi načini delovanja.

Industrija proizvaja veliko število visokofrekvenčnih naprav za različne namene. Za toplotno obdelavo izdelkov se uporabljajo serijski visokofrekvenčni generatorji, za katere so izdelane specializirane naprave.

Izbira generatorja za ogrevanje z dielektrikom se zmanjša na določitev njegove moči in frekvence.

Moč nihanja Pg visokofrekvenčnega generatorja mora biti večja od toplotnega toka Ф, potrebnega za toplotno obdelavo materiala, za vrednost izgub v delovnem kondenzatorju in bloku vmesnih nihajnih krogov:

kjer je ηk izkoristek delovnega kondenzatorja, odvisno od površine površine za prenos toplote, koeficienta prenosa toplote in temperaturne razlike med materialom in medijem ηk = 0,8 ... 0,9, ηe je električni izkoristek nihajni tokokrog ηe = 0,65 ... 0, 7, ηl - izkoristek ob upoštevanju izgub v visokofrekvenčnih povezovalnih žicah ηl = 0,9 ... 0,95.

Moč, ki jo generator porabi iz omrežja:

Tukaj je ηg izkoristek generatorja ηg = 0,65 … 0,85.

Skupna učinkovitost visokofrekvenčne naprave je določena z zmnožkom učinkovitosti vseh njenih enot in je enaka 0,3 ... ... 0,5.

Tako nizka učinkovitost je pomemben dejavnik, ki preprečuje široko uporabo dielektričnega ogrevanja v kmetijski proizvodnji.

Energijsko učinkovitost visokofrekvenčnih naprav je mogoče izboljšati z uporabo toplote, ki jo odvaja generator.

Frekvenca toka pri segrevanju dielektrikov in polprevodnikov je izbrana na podlagi zahtevanega toplotnega toka F. Pri toplotni obdelavi kmetijskih proizvodov je specifični prostorninski pretok omejen z dovoljeno hitrostjo segrevanja in sušenja. Iz ravnovesja sil v delu kondenzatorja imamo

kjer je V prostornina segretega materiala, m3.

Najmanjša frekvenca, pri kateri poteka tehnološki proces pri določeni hitrosti:

kjer je Emax največja dovoljena električna poljska jakost v materialu, V / m.

Z večanjem frekvence se Em zmanjšuje in zato se povečuje zanesljivost tehnološkega procesa. Vendar pa obstajajo nekatere omejitve glede povečanja frekvence. Nepraktično je povečati frekvenco, če se izgubno razmerje močno zmanjša. Poleg tega, ko se frekvenca povečuje, postaja vse težje uskladiti parametre bremena in generatorja. Največja frekvenca, Hz, pri kateri je zagotovljena ta pogodba:

kjer sta L in C najmanjši možni ekvivalentni vrednosti induktivnosti in kapacitivnosti bremenskega vezja z delovnim kondenzatorjem.

Pri velikih linearnih dimenzijah delovnega kondenzatorja lahko povečanje frekvence povzroči neenakomerno porazdelitev napetosti na elektrodi in s tem neenakomerno segrevanje. Največja dovoljena frekvenca, Hz, za ta pogoj

kjer je l največja velikost plošče delovnega kondenzatorja, m.