Dielektrisk oppvarming

Hva er dielektrisk oppvarming

Dielektrisk oppvarming refererer til oppvarming av dielektrikum og halvledere i et vekslende elektrisk felt under påvirkning av hvilket det oppvarmede materialet polariseres. Polarisering er en prosess med forskyvning av tilhørende ladninger, som fører til utseendet av et elektrisk moment ved hvert makroskopisk volumelement.

Polarisering er delt inn i elastisk og avspenning: elastisk (uten treghet) bestemmer energien til det elektriske feltet, og avslapning (treghet) bestemmer varmen som frigjøres i det oppvarmede materialet. Ved relaksasjonspolarisering av et eksternt elektrisk felt arbeides det for å overvinne kreftene til de indre bindingene ("friksjon") til atomer, molekyler, ladede komplekser. Halvparten av dette arbeidet omdannes til varme.

Kraften som frigjøres i et dielektrikum refereres vanligvis til en volumenhet og beregnes av formelen

der γ er den komplekse konjugerte konduktansen til materialet, EM er den elektriske feltstyrken i materialet.

Kompleks ledning

Her er εr den totale komplekse dielektriske konstanten.

Den reelle delen av ε', kalt dielektrisitetskonstanten, påvirker mengden energi som kan lagres i et materiale. Den imaginære delen av ε «, kalt tapsfaktoren, er et mål på energien (varmen) som spres i materialet.

Tapsfaktoren tar hensyn til energien som forsvinner i materialet på grunn av både polarisering og lekkasjestrømmer.

I praksis bruker beregninger en verdi som kalles tapsvinkeltangens:

Tangenten til tapsvinkelen bestemmer forholdet mellom energien brukt på oppvarming og den lagrede energien til elektromagnetiske svingninger.

Tatt i betraktning det ovennevnte, den volumetriske spesifikke aktive effekten, W / m3:

eller

Dermed er den spesifikke volumeffekten proporsjonal med kvadratet på den elektriske feltstyrken i det oppvarmede materialet, frekvensen og tapsfaktoren.

Styrken til det elektriske feltet i det oppvarmede materialet avhenger av den påførte spenningen, den dielektriske konstanten ε ', plasseringen og formen til elektrodene som danner feltet. For noen av de vanligste tilfellene i praksis, plasseringen av elektrodene, beregnes styrken til det elektriske feltet ved hjelp av formlene vist i figur 1.

Ris. 1. Til beregning av styrken til det elektriske feltet: a — sylindrisk kondensator, b — flat enkeltlagskondensator, c, d — flat flerlagskondensator med et arrangement av lag av materialer, henholdsvis i tverrgående og langs det elektriske feltet .

Det skal bemerkes at den begrensende maksimale verdien av Em er begrenset av den elektriske styrken til det oppvarmede materialet. Spenningen bør ikke overstige halvparten av sammenbruddsspenningen.Kapasiteten for frø av korn og grønnsaksvekster er tatt i området (5 ... 10) 103 V / m, for tre - (5 ... 40) 103 V / m, polyvinylklorid - (1 ... 10 ) 105 V / m.

Tapskoeffisienten ε « avhenger av materialets kjemiske sammensetning og struktur, dets temperatur og fuktighetsinnhold, av frekvensen og styrken til det elektriske feltet i materialet.

Dielektriske oppvarmingsegenskaper til materialer

Dielektrisk oppvarming brukes i ulike industrier og landbruk.

Hovedkarakteristikkene til dielektrisk oppvarming er som følger.

1. Det frigjøres varme i selve det oppvarmede materialet, noe som gjør det mulig å akselerere oppvarmingen med titalls og hundrevis av ganger (sammenlignet med konvektiv oppvarming) Dette er spesielt merkbart for materialer med lav varmeledningsevne (tre, korn, plast osv.). ).

2. Dielektrisk oppvarming er selektiv: den spesifikke volumetriske kraften og følgelig temperaturen til hver komponent i et inhomogent materiale er forskjellig. Denne funksjonen brukes i landbruket, for eksempel ved desinfisering av korn og sylting av silkeorm,

3. Ved dielektrisk tørking frigjøres varme inne i materialet og derfor er temperaturen i sentrum høyere enn i periferien. Fuktighet inne i materialet beveger seg fra vått til tørt og fra varmt til kaldt. Så under konvektiv tørking er temperaturen inne i materialet lavere enn ved periferien, og fuktighetsstrømmen på grunn av temperaturgradienten forhindrer fuktighet i å bevege seg til overflaten. Dette reduserer effektiviteten av konvektiv tørking betraktelig. Ved dielektrisk tørking faller fuktighetsfluksene på grunn av temperaturforskjellen og fuktighetsinnholdet sammen.Dette er hovedfordelen med dielektrisk tørking.

4. Ved oppvarming og tørking i et elektrisk felt med høy frekvens, reduseres tapskoeffisienten og følgelig kraften til varmestrømmen. For å holde strømmen på det nødvendige nivået, må du endre frekvensen eller spenningen som leveres til kondensatoren.

Dielektriske varmeinstallasjoner

Industrien produserer både spesialiserte høyfrekvente installasjoner beregnet for varmebehandling av en eller flere typer produkter, samt installasjoner for generell bruk. Til tross for disse forskjellene har alle høyfrekvente installasjoner samme strukturdiagram (fig. 2).

Materialet varmes opp i arbeidskondensatoren til høyfrekvensenheten 1. Høyfrekvensspenningen tilføres arbeidskondensatoren gjennom blokken av mellomliggende oscillerende kretser 2, designet for effektregulering og generatorregulering 3. Lampegeneratoren konverterer likespenning mottatt fra halvlederlikeretteren 4, i høyfrekvent vekselspenning. Samtidig brukes minst 20 ... 40% av all energien som mottas fra likeretteren i lampegeneratoren.

Mesteparten av energien går tapt ved anoden til lampen, som må avkjøles med vann. Lampens anode tilføres i forhold til jorden 5 ... 15 kV, derfor er systemet med isolert tilførsel av kjølevann veldig komplekst. Transformator 5 er designet for å øke nettverksspenningen til 6 ... 10 kV og koble fra den ledende forbindelsen mellom generatoren og det elektriske nettverket. Blokk 6 brukes til å slå på og av installasjonen, sekvensielt utføre teknologiske operasjoner og beskytte mot nødmoduser.

Dielektriske varmeinstallasjoner skiller seg fra hverandre i kraften og frekvensen til generatoren, i konstruksjonen av hjelpeutstyr designet for å flytte og holde det behandlede materialet, samt for mekanisk påvirkning på det.

Ris. 2. Blokkskjema over høyfrekvente installasjonen: 1 — høyfrekvent enhet med en lastkondensator, 2 — en blokk med mellomliggende oscillerende kretser med en strømregulator, trimmekapasitanser og induktanser, 3 — lampegenerator med separasjon av anoder og nettverk kretser, 4 — halvleder likeretter : 5 — step-up transformator, c — blokk som beskytter installasjonen mot unormale driftsmoduser.

Industrien produserer et stort antall høyfrekvente installasjoner til ulike formål. For varmebehandling av produkter brukes serielle høyfrekvente generatorer, for hvilke spesialiserte enheter er produsert.

Å velge en generator for oppvarming med et dielektrisk kommer ned til å bestemme kraften og frekvensen.

Den oscillerende kraften Pg til høyfrekvensgeneratoren må være større enn varmestrømmen Ф som er nødvendig for varmebehandlingen av materialet med verdien av tapene i arbeidskondensatoren og blokken til de mellomliggende oscillerende kretsene:

hvor ηk er effektiviteten til arbeidskondensatoren, avhengig av arealet av varmeoverføringsflaten, varmeoverføringskoeffisienten og temperaturforskjellen mellom materialet og mediet ηk = 0,8 ... 0,9, ηe er den elektriske virkningsgraden til den oscillerende kretsen ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — effektivitet, tatt i betraktning tap i høyfrekvente tilkoblingsledninger ηl = 0,9 … 0,95.

Strøm forbrukt av generatoren fra nettet:

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

Den totale effektiviteten til en høyfrekvent installasjon bestemmes av produktet av effektiviteten til alle enhetene og er lik 0,3 ... ... 0,5.

Så lav virkningsgrad er en viktig faktor som hindrer utbredt bruk av dielektrisk oppvarming i landbruksproduksjonen.

Energiytelsen til høyfrekvente installasjoner kan forbedres ved å bruke varmen som spres av generatoren.

Frekvensen av strømmen ved oppvarming av dielektriske og halvledere velges basert på den nødvendige varmestrømmen F. Ved varmebehandling av landbruksprodukter er den spesifikke volumstrømmen begrenset av den tillatte hastigheten for oppvarming og tørking. Fra kraftbalansen i arbeidskondensatoren vi har

hvor V er volumet av oppvarmet materiale, m3.

Minimumsfrekvensen som den teknologiske prosessen finner sted med en gitt hastighet:

hvor Emax er maksimal tillatt elektrisk feltstyrke i materialet, V/m.

Når frekvensen øker, synker Em og derfor øker påliteligheten til den teknologiske prosessen. Det er imidlertid noen begrensninger for å øke frekvensen. Det er upraktisk å øke frekvensen hvis tapsforholdet synker kraftig. Dessuten, ettersom frekvensen øker, blir det stadig vanskeligere å matche parametrene til lasten og generatoren. Maksimal frekvens, Hz, som denne avtalen leveres med:

der L og C er minimum mulige ekvivalente verdier for induktans og kapasitans til lastkretsen med en fungerende kondensator.

Med store lineære dimensjoner av arbeidskondensatoren kan en økning i frekvensen føre til en ujevn fordeling av spenningen på elektroden og derfor til ujevn oppvarming. Den maksimalt tillatte frekvensen, Hz, for denne tilstanden

der l er den største platestørrelsen til arbeidskondensatoren, m.