Dielektrično grijanje

Što je dielektrično grijanje

Dielektrično zagrijavanje označava zagrijavanje dielektrika i poluvodiča u izmjeničnom električnom polju pod čijim utjecajem dolazi do polarizacije zagrijanog materijala. Polarizacija je proces premještanja pridruženih naboja, što dovodi do pojave električnog momenta na svakom elementu makroskopskog volumena.

Polarizacija se dijeli na elastičnu i relaksacijsku: elastična (bez tromosti) određuje energiju električnog polja, a relaksacija (inercijalna) određuje toplinu koja se oslobađa u zagrijanom materijalu. U relaksacijskoj polarizaciji vanjskim električnim poljem vrši se rad na prevladavanju sila unutarnjih veza ("trenja") atoma, molekula, nabijenih kompleksa. Polovica ovog rada pretvara se u toplinu.

Snaga oslobođena u dielektriku obično se odnosi na jedinicu volumena i izračunava se formulom

gdje je γ kompleksna konjugirana vodljivost materijala, EM je jakost električnog polja u materijalu.

Složeno provođenje

Ovdje je εr ukupna kompleksna dielektrična konstanta.

Realni dio ε', koji se naziva dielektrična konstanta, utječe na količinu energije koja se može pohraniti u materijalu. Imaginarni dio ε «, koji se naziva faktor gubitka, mjera je energije (topline) raspršene u materijalu.

Faktor gubitka uzima u obzir energiju raspršenu u materijalu zbog polarizacije i struja curenja.

U praksi, izračuni koriste vrijednost koja se naziva tangens kuta gubitka:

Tangens kuta gubitka određuje omjer energije utrošene na zagrijavanje i pohranjene energije elektromagnetskih oscilacija.

S obzirom na gore navedeno, volumetrijska specifična djelatna snaga, W / m3:

ili

Dakle, specifična volumna snaga proporcionalna je kvadratu jakosti električnog polja u zagrijanom materijalu, frekvenciji i faktoru gubitka.

Jakost električnog polja u zagrijanom materijalu ovisi o primijenjenom naponu, dielektričnoj konstanti ε', položaju i obliku elektroda koje tvore polje. Za neke od najčešćih slučajeva u praksi, položaj elektroda, jakost električnog polja izračunava se formulama prikazanim na slici 1.

Riža. 1. Za proračun jakosti električnog polja: a - cilindrični kondenzator, b - ravni jednoslojni kondenzator, c, d - ravni višeslojni kondenzator s rasporedom slojeva materijala, odnosno, poprečno i duž električnog polja .

Treba napomenuti da je granična najveća vrijednost Em ograničena električnom čvrstoćom zagrijanog materijala. Napon ne smije premašiti polovicu probojnog napona.Kapacitet za sjeme žitarica i povrtnih usjeva uzima se u rasponu (5 ... 10) 103 V / m, za drvo - (5 ... 40) 103 V / m, polivinil klorid - (1 ... 10 ) 105 V / m.

Koeficijent gubitka ε « ovisi o kemijskom sastavu i strukturi materijala, njegovoj temperaturi i sadržaju vlage, o frekvenciji i jakosti električnog polja u materijalu.

Dielektrična svojstva zagrijavanja materijala

Dielektrično grijanje koristi se u raznim industrijama i poljoprivredi.

Glavne karakteristike dielektričnog grijanja su sljedeće.

1. Toplina se oslobađa u samom grijanom materijalu, što omogućuje ubrzanje zagrijavanja za desetke i stotine puta (u usporedbi s konvektivnim grijanjem).To je posebno vidljivo kod materijala niske toplinske vodljivosti (drvo, žito, plastika itd.) ).

2. Dielektrično zagrijavanje je selektivno: specifična volumetrijska snaga i, sukladno tome, temperatura svake komponente nehomogenog materijala je različita. Ova se funkcija koristi u poljoprivredi, na primjer za dezinfekciju žitarica i kiseljenje svilenih buba,

3. Tijekom dielektričnog sušenja dolazi do oslobađanja topline unutar materijala i stoga je temperatura u središtu viša nego na periferiji. Vlaga unutar materijala kreće se iz mokrog u suho i iz vrućeg u hladno. Dakle, tijekom konvektivnog sušenja temperatura unutar materijala je niža nego na periferiji, a protok vlage zbog temperaturnog gradijenta onemogućuje kretanje vlage prema površini. To uvelike smanjuje učinkovitost konvektivnog sušenja. Kod dielektričnog sušenja tokovi vlage zbog temperaturne razlike i sadržaja vlage se podudaraju.Ovo je glavna prednost dielektričnog sušenja.

4. Kod zagrijavanja i sušenja u električnom polju s visokom frekvencijom smanjuje se koeficijent gubitka i, sukladno tome, snaga toplinskog toka. Da biste održali snagu na potrebnoj razini, morate promijeniti frekvenciju ili napon koji se dovodi na kondenzator.

Dielektrične instalacije grijanja

U industriji se proizvode kako specijalizirana visokofrekventna postrojenja namijenjena toplinskoj obradi jedne ili više vrsta proizvoda, tako i postrojenja za opću uporabu. Unatoč tim razlikama, sve visokofrekventne instalacije imaju isti strukturni dijagram (slika 2).

Materijal se zagrijava u radnom kondenzatoru visokofrekventnog uređaja 1. Visokofrekventni napon dovodi se u radni kondenzator preko bloka srednjih titrajnih krugova 2, dizajniranih za regulaciju snage i regulaciju generatora 3. Generator svjetiljke pretvara istosmjerni napon primljen od poluvodičkog ispravljača 4, u visokofrekventnom izmjeničnom naponu. Istodobno, najmanje 20 ... 40% sve energije primljene od ispravljača troši se u generatoru svjetiljke.

Najveći dio energije gubi se na anodi žarulje, koja se mora hladiti vodom. Anoda žarulje se napaja u odnosu na zemlju 5 … 15 kV, stoga je sustav izolirane opskrbe rashladnom vodom vrlo složen. Transformator 5 je dizajniran za povećanje mrežnog napona na 6 ... 10 kV i odspajanje vodljive veze između generatora i električne mreže. Blok 6 koristi se za uključivanje i isključivanje instalacije, sekvencijalno izvođenje tehnoloških operacija i zaštitu od hitnih načina rada.

Instalacije dielektričnog grijanja međusobno se razlikuju po snazi ​​i frekvenciji generatora, po konstrukciji pomoćne opreme namijenjene za pomicanje i držanje obrađenog materijala, kao i za mehanički utjecaj na njega.

Riža. 2. Blok dijagram visokofrekventne instalacije: 1 — visokofrekventni uređaj s kondenzatorom opterećenja, 2 — blok srednjih titrajnih krugova s ​​regulatorom snage, podešavanjem kapaciteta i induktiviteta, 3 — generator svjetiljke s odvajanjem anoda i mreže krugovi, 4 — poluvodički ispravljač : 5 — pojačani transformator, c — blok koji štiti instalaciju od nenormalnih načina rada.

Industrija proizvodi veliki broj visokofrekventnih instalacija za različite namjene. Za toplinsku obradu proizvoda koriste se serijski visokofrekventni generatori za koje se proizvode specijalizirani uređaji.

Odabir generatora za grijanje s dielektrikom svodi se na određivanje njegove snage i frekvencije.

Oscilirajuća snaga Pg visokofrekventnog generatora mora biti veća od toplinskog toka F potrebnog za toplinsku obradu materijala za vrijednost gubitaka u radnom kondenzatoru i bloku srednjih titrajnih krugova:

gdje je ηk učinkovitost radnog kondenzatora, ovisno o površini površine prijenosa topline, koeficijentu prijenosa topline i temperaturnoj razlici između materijala i medija ηk = 0,8 ... 0,9, ηe je električna učinkovitost titrajni krug ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — učinkovitost, uzimajući u obzir gubitke u visokofrekventnim spojnim žicama ηl = 0,9 ... 0,95.

Snaga koju generator troši iz mreže:

Ovdje je ηg učinkovitost generatora ηg = 0,65 … 0,85.

Ukupna učinkovitost visokofrekventne instalacije određena je proizvodom učinkovitosti svih njegovih jedinica i jednaka je 0,3 ... ... 0,5.

Tako niska učinkovitost važan je čimbenik koji sprječava široku primjenu dielektričnog grijanja u poljoprivrednoj proizvodnji.

Energetska učinkovitost visokofrekventnih instalacija može se poboljšati korištenjem topline koju rasipa generator.

Frekvencija struje pri zagrijavanju dielektrika i poluvodiča odabire se na temelju potrebnog protoka topline F. Kod toplinske obrade poljoprivrednih proizvoda specifični volumenski protok ograničen je dopuštenom brzinom zagrijavanja i sušenja. Iz ravnoteže sila u radu kondenzatora imamo

gdje je V volumen zagrijanog materijala, m3.

Minimalna učestalost kojom se tehnološki proces odvija zadanom brzinom:

gdje je Emax najveća dopuštena jakost električnog polja u materijalu, V / m.

Povećanjem frekvencije smanjuje se Em i time se povećava pouzdanost tehnološkog procesa. Međutim, postoje neka ograničenja za povećanje učestalosti. Nepraktično je povećati frekvenciju ako omjer gubitaka naglo padne. Također, kako se frekvencija povećava, postaje sve teže uskladiti parametre opterećenja i generatora. Najveća frekvencija, Hz, na kojoj je ovaj ugovor dostupan:

gdje su L i C minimalne moguće ekvivalentne vrijednosti induktiviteta i kapaciteta kruga opterećenja s radnim kondenzatorom.

S velikim linearnim dimenzijama radnog kondenzatora, povećanje frekvencije može dovesti do neravnomjerne raspodjele napona na elektrodi i, prema tome, do neravnomjernog zagrijavanja. Najveća dopuštena frekvencija, Hz, za ovaj uvjet

gdje je l najveća veličina ploče radnog kondenzatora, m.