Dielektrinen lämmitys

Mikä on dielektrinen lämmitys

Dielektrisellä lämmityksellä tarkoitetaan eristeiden ja puolijohteiden kuumennusta vaihtosähkökentässä, jonka vaikutuksesta kuumennettu materiaali polarisoituu. Polarisaatio on prosessi, jossa niihin liittyvät varaukset siirtyvät, mikä johtaa sähkömomentin ilmestymiseen jokaiseen makroskooppiseen tilavuuselementtiin.

Polarisaatio jaetaan elastiseen ja relaksaatioon: elastinen (ilman inertiaa) määrittää sähkökentän energian ja relaksaatio (inertia) määrittää kuumennetussa materiaalissa vapautuvan lämmön. Ulkoisen sähkökentän aiheuttamassa relaksaatiopolarisaatiossa työtä tehdään atomien, molekyylien, varautuneiden kompleksien sisäisten sidosten ("kitka") voimien voittamiseksi. Puolet tästä työstä muunnetaan lämmöksi.

Eristeessä vapautuvaa tehoa viitataan yleensä tilavuusyksikkönä ja se lasketaan kaavalla

missä γ on materiaalin kompleksinen konjugaattikonduktanssi, EM on materiaalin sähkökentän voimakkuus.

Monimutkainen johtuminen

Tässä εr on kokonaisdielektrisyysvakio.

ε':n reaaliosa, jota kutsutaan dielektrisyysvakioksi, vaikuttaa energian määrään, joka voidaan varastoida materiaaliin. ε «:n kuvitteellinen osa, jota kutsutaan häviökerroin, on materiaaliin hajotetun energian (lämmön) mitta.

Häviökerroin ottaa huomioon sekä polarisaatiosta että vuotovirroista johtuen materiaalissa hajonneen energian.

Käytännössä laskelmissa käytetään arvoa, jota kutsutaan häviönkulmatangentiksi:

Häviökulman tangentti määrittää lämmitykseen käytetyn energian suhteen sähkömagneettisten värähtelyjen varastoituun energiaan.

Yllä oleva huomioon ottaen tilavuusominaisteho, W / m3:

tai

Näin ollen ominaistilavuusteho on verrannollinen kuumennetun materiaalin sähkökentän voimakkuuden neliöön, taajuuteen ja häviökertoimeen.

Sähkökentän voimakkuus kuumennetussa materiaalissa riippuu käytetystä jännitteestä, dielektrisyysvakiosta ε ', kentän muodostavien elektrodien sijainnista ja muodosta. Joissakin käytännössä yleisimmissä tapauksissa, elektrodien sijainnissa, sähkökentän voimakkuus lasketaan kuvan 1 kaavoilla.

Riisi. 1. Sähkökentän voimakkuuden laskemiseen: a - sylinterimäinen kondensaattori, b - litteä yksikerroksinen kondensaattori, c, d - litteä monikerroksinen kondensaattori, jossa on materiaalikerrosjärjestelyt vastaavasti poikittain ja pitkin sähkökenttää .

On huomattava, että Em:n enimmäisarvoa rajoittaa kuumennetun materiaalin sähköinen lujuus. Jännite ei saa ylittää puolta läpilyöntijännitteestä.Vilja- ja vihanneskasvien siementen kapasiteetti on alueella (5…10) 103 V/m, puun – (5…40) 103 V/m, polyvinyylikloridin – (1…10) 105 V/m.

Häviökerroin ε « riippuu materiaalin kemiallisesta koostumuksesta ja rakenteesta, sen lämpötilasta ja kosteuspitoisuudesta, materiaalissa olevan sähkökentän taajuudesta ja voimakkuudesta.

Materiaalien dielektriset lämmitysominaisuudet

Dielektristä lämmitystä käytetään eri teollisuudenaloilla ja maataloudessa.

Dielektrisen lämmityksen pääominaisuudet ovat seuraavat.

1. Lämpöä vapautuu itse kuumennetussa materiaalissa, mikä mahdollistaa lämpenemisen nopeuttamisen kymmeniä ja satoja kertoja (verrattuna konvektiiviseen lämmitykseen) Tämä on erityisen havaittavissa materiaaleissa, joilla on alhainen lämmönjohtavuus (puu, vilja, muovit jne.). ).

2. Dielektrinen kuumennus on selektiivistä: eri tilavuusteho ja vastaavasti erilaisten epähomogeenisen materiaalin komponenttien lämpötila on erilainen. Tätä toimintoa käytetään maataloudessa, esimerkiksi viljan desinfiointiin ja silkkiäistoukkien peittaukseen,

3. Dielektrisen kuivauksen aikana materiaalin sisällä vapautuu lämpöä ja siksi lämpötila keskellä on korkeampi kuin reunoilla. Materiaalin sisällä oleva kosteus siirtyy märästä kuivaan ja kuumasta kylmään. Konvektiokuivauksen aikana materiaalin sisälämpötila on siis alhaisempi kuin reunoilla ja lämpötilagradientin aiheuttama kosteuden virtaus estää kosteuden siirtymisen pinnalle. Tämä vähentää huomattavasti konvektiivisen kuivauksen tehokkuutta. Dielektrisessä kuivauksessa lämpötilaeron ja kosteuspitoisuuden aiheuttamat kosteusvuot ovat samat.Tämä on dielektrisen kuivauksen tärkein etu.

4. Kun lämmitetään ja kuivataan korkeataajuisessa sähkökentässä, häviökerroin pienenee ja vastaavasti lämpövirran teho. Jotta teho pysyy vaaditulla tasolla, sinun on muutettava kondensaattoriin syötettyä taajuutta tai jännitettä.

Dielektriset lämmitysasennukset

Teollisuus tuottaa sekä erikoistuneita suurtaajuuslaitteistoja, jotka on tarkoitettu yhden tai useamman tyyppisen tuotteen lämpökäsittelyyn, että yleiseen käyttöön tarkoitettuja asennuksia. Näistä eroista huolimatta kaikilla suurtaajuusasennuksilla on sama rakennekaavio (kuva 2).

Materiaali kuumennetaan suurtaajuuslaitteen 1 työkondensaattorissa. Työkondensaattoriin syötetään suurtaajuusjännite tehonsäätöön ja generaattorin säätöön 3 suunnitellun välivärähtelypiirien 2 kautta. Lamppugeneraattori muuntaa puolijohdetasasuuntaajalta 4 vastaanotettu tasajännite suurtaajuisessa vaihtojännitteessä. Samanaikaisesti vähintään 20 ... 40% kaikesta tasasuuntaajalta vastaanotetusta energiasta kuluu lamppugeneraattoriin.

Suurin osa energiasta menetetään lampun anodilla, joka on jäähdytettävä vedellä. Lampun anodi syötetään suhteessa maahan 5 … 15 kV, joten jäähdytysveden eristetty syöttöjärjestelmä on erittäin monimutkainen. Muuntaja 5 on suunniteltu nostamaan verkkojännite 6 ... 10 kV:iin ja katkaisemaan johtava yhteys generaattorin ja sähköverkon välillä. Lohkoa 6 käytetään asennuksen käynnistämiseen ja sammuttamiseen, peräkkäisten teknisten toimintojen suorittamiseen ja hätätilojen suojaamiseen.

Dielektriset lämmitysasennukset eroavat toisistaan ​​generaattorin tehon ja taajuuden, käsitellyn materiaalin siirtämiseen ja pitämiseen tarkoitettujen apulaitteiden rakenteessa sekä siihen kohdistuvan mekaanisen vaikutuksen suhteen.

Riisi. 2. Suurtaajuisen asennuksen lohkokaavio: 1 — suurtaajuuslaite kuormakondensaattorilla, 2 — välivärähtelypiirien lohko tehonsäätimellä, kapasitanssien ja induktanssien trimmaus, 3 — lamppugeneraattori, jossa anodit ja verkko erotetaan piirit, 4 — puolijohdetasasuuntaaja : 5 — porrasmuuntaja, c — lohko, joka suojaa laitteistoa epänormaalilta toimintatilolta.

Teollisuus tuottaa suuren määrän suurtaajuusasennuksia eri tarkoituksiin. Tuotteiden lämpökäsittelyyn käytetään sarjamuotoisia suurtaajuusgeneraattoreita, joita varten valmistetaan erikoislaitteita.

Generaattorin valitseminen dielektrisellä lämmityksellä riippuu sen tehon ja taajuuden määrittämisestä.

Suurtaajuisen generaattorin värähtelytehon Pg on oltava suurempi kuin materiaalin lämpökäsittelyyn tarvittava lämpövirta Ф työkondensaattorin ja välivärähtelypiirien lohkon häviöiden arvolla:

missä ηk on työkondensaattorin hyötysuhde, riippuen lämmönsiirtopinnan pinta-alasta, lämmönsiirtokertoimesta sekä materiaalin ja väliaineen lämpötilaerosta ηk = 0,8 ... 0,9, ηe on sähköinen hyötysuhde. värähtelypiiri ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — hyötysuhde, kun otetaan huomioon häviöt suurtaajuisissa liitäntäjohtimissa ηl = 0,9 ... 0,95.

Generaattorin käyttämä teho verkosta:

Tässä ηg on generaattorin hyötysuhde ηg = 0,65 … 0,85.

Korkeataajuisen asennuksen kokonaishyötysuhde määräytyy sen kaikkien yksiköiden hyötysuhteen tulona ja on 0,3 ... ... 0,5.

Tällainen alhainen hyötysuhde on tärkeä tekijä, joka estää dielektrisen lämmityksen laajan käytön maataloustuotannossa.

Suurtaajuisten asennusten energiatehokkuutta voidaan parantaa käyttämällä generaattorin lähettämää lämpöä.

Virran taajuus eristeitä ja puolijohteita lämmitettäessä valitaan vaaditun lämpövirran F perusteella. Maataloustuotteiden lämpökäsittelyssä ominaistilavuusvirtaa rajoittaa sallittu kuumennus- ja kuivausnopeus. Meillä on työkondensaattorin voimien tasapainosta

jossa V on kuumennetun materiaalin tilavuus, m3.

Pienin taajuus, jolla tekninen prosessi tapahtuu tietyllä nopeudella:

jossa Emax on materiaalin suurin sallittu sähkökentän voimakkuus, V / m.

Taajuuden kasvaessa Em laskee ja siksi teknologisen prosessin luotettavuus kasvaa. Taajuuden lisäämisessä on kuitenkin joitain rajoituksia. On epäkäytännöllistä lisätä taajuutta, jos häviösuhde laskee jyrkästi. Lisäksi taajuuden kasvaessa on yhä vaikeampaa sovittaa yhteen kuorman ja generaattorin parametrit. Suurin taajuus, Hz, jolla tämä sopimus on voimassa:

jossa L ja C ovat työkondensaattorilla varustetun kuormituspiirin induktanssin ja kapasitanssin minimiarvot.

Kun työkondensaattorin lineaariset mitat ovat suuret, taajuuden kasvu voi johtaa jännitteen epätasaiseen jakautumiseen elektrodilla ja siten epätasaiseen lämpenemiseen. Suurin sallittu taajuus, Hz, tälle tilalle

missä l on työkondensaattorin suurin levykoko, m.