Dielektrisk uppvärmning

Vad är dielektrisk uppvärmning

Dielektrisk uppvärmning hänvisar till uppvärmning av dielektrikum och halvledare i ett växlande elektriskt fält under påverkan av vilket det uppvärmda materialet polariseras. Polarisering är en process för förskjutning av tillhörande laddningar, vilket leder till uppkomsten av ett elektriskt moment vid varje makroskopiskt volymelement.

Polarisering är uppdelad i elastisk och relaxation: elastisk (utan tröghet) bestämmer energin i det elektriska fältet, och relaxation (tröghet) bestämmer värmen som frigörs i det uppvärmda materialet. Vid relaxationspolarisering av ett externt elektriskt fält arbetar man för att övervinna krafterna från de inre bindningarna ("friktion") av atomer, molekyler, laddade komplex. Hälften av detta arbete omvandlas till värme.

Effekten som frigörs i ett dielektrikum refereras vanligtvis till en volymenhet och beräknas med formeln

där γ är materialets komplexa konjugatkonduktans, EM är den elektriska fältstyrkan i materialet.

Komplex ledning

Här är εr den totala komplexa dielektriska konstanten.

Den reella delen av ε', som kallas dielektricitetskonstanten, påverkar mängden energi som kan lagras i ett material. Den imaginära delen av ε «, som kallas förlustfaktorn, är ett mått på den energi (värme) som försvinner i materialet.

Förlustfaktorn tar hänsyn till den energi som försvinner i materialet på grund av både polarisering och läckströmmar.

I praktiken använder beräkningar ett värde som kallas förlustvinkeltangens:

Förlustvinkelns tangent bestämmer förhållandet mellan energin som spenderas på uppvärmning och den lagrade energin för elektromagnetiska svängningar.

Med tanke på ovanstående, den volymetriska specifika aktiva effekten, W / m3:

eller

Den specifika volymeffekten är således proportionell mot kvadraten på den elektriska fältstyrkan i det uppvärmda materialet, frekvensen och förlustfaktorn.

Styrkan hos det elektriska fältet i det uppvärmda materialet beror på den applicerade spänningen, dielektricitetskonstanten ε', placeringen och formen av elektroderna som bildar fältet. För några av de vanligaste fallen i praktiken, placeringen av elektroderna, beräknas styrkan på det elektriska fältet med formlerna som visas i figur 1.

Ris. 1. För beräkning av det elektriska fältets styrka: a — cylindrisk kondensator, b — platt enkelskiktskondensator, c, d — platt flerskiktskondensator med ett arrangemang av materialskikt i tvärgående respektive längs det elektriska fältet .

Det bör noteras att det begränsande maximivärdet för Em begränsas av det uppvärmda materialets elektriska styrka. Spänningen bör inte överstiga hälften av genomslagsspänningen.Kapaciteten för frön av spannmål och grönsaksgrödor tas i intervallet (5 ... 10) 103 V / m, för trä - (5 ... 40) 103 V / m, polyvinylklorid - (1 ... 10 ) 105 V / m.

Förlustkoefficienten ε « beror på materialets kemiska sammansättning och struktur, dess temperatur och fukthalt, på frekvensen och styrkan av det elektriska fältet i materialet.

Materialens dielektriska uppvärmningsegenskaper

Dielektrisk uppvärmning används inom olika industrier och lantbruk.

De viktigaste egenskaperna hos dielektrisk uppvärmning är följande.

1. Det frigörs värme i själva det uppvärmda materialet vilket gör det möjligt att accelerera uppvärmningen tiotals och hundratals gånger (jämfört med konvektiv uppvärmning) Detta märks särskilt för material med låg värmeledningsförmåga (trä, spannmål, plast etc.). ).

2. Dielektrisk uppvärmning är selektiv: den specifika volymetriska effekten och följaktligen temperaturen för varje komponent i ett inhomogent material är olika. Denna funktion används inom jordbruket, till exempel vid desinficering av spannmål och betning av silkesmaskar,

3. Vid dielektrisk torkning frigörs värme inuti materialet och därför är temperaturen i mitten högre än i periferin. Fukt inuti materialet rör sig från vått till torrt och från varmt till kallt. Så under konvektiv torkning är temperaturen inuti materialet lägre än vid periferin, och fuktflödet på grund av temperaturgradienten förhindrar fukt från att flytta till ytan. Detta minskar avsevärt effektiviteten av konvektiv torkning. Vid dielektrisk torkning sammanfaller fuktflödena på grund av temperaturskillnaden och fukthalten.Detta är den största fördelen med dielektrisk torkning.

4. Vid uppvärmning och torkning i ett elektriskt fält med hög frekvens minskar förlustkoefficienten och följaktligen värmeflödets kraft. För att hålla strömmen på önskad nivå måste du ändra frekvensen eller spänningen som levereras till kondensatorn.

Dielektriska värmeinstallationer

Industrin producerar både specialiserade högfrekventa installationer avsedda för värmebehandling av en eller flera typer av produkter, samt installationer för allmänt bruk. Trots dessa skillnader har alla högfrekventa installationer samma strukturdiagram (fig. 2).

Materialet värms upp i högfrekvensanordningens 1 arbetskondensator. Högfrekventa spänningen tillförs arbetskondensatorn genom blocket av mellanliggande oscillerande kretsar 2, utformade för effektreglering och generatorreglering 3. Lampgeneratorn omvandlar likspänning mottagen från halvledarlikriktaren 4, i högfrekvent växelspänning. Samtidigt förbrukas minst 20 ... 40% av all energi som tas emot från likriktaren i lampgeneratorn.

Det mesta av energin går förlorad vid lampans anod, som måste kylas med vatten. Lampans anod levereras med avseende på jorden 5 … 15 kV, därför är systemet med isolerad tillförsel av kylvatten mycket komplext. Transformator 5 är utformad för att öka nätverksspänningen till 6 ... 10 kV och koppla bort den ledande anslutningen mellan generatorn och det elektriska nätverket. Block 6 används för att slå på och stänga av installationen, sekventiellt utföra tekniska operationer och skydda mot nödlägen.

Dielektriska värmeinstallationer skiljer sig från varandra i kraften och frekvensen hos generatorn, i konstruktionen av hjälputrustning utformad för att flytta och hålla det bearbetade materialet, såväl som för mekanisk påverkan på det.

Ris. 2. Blockschema över högfrekvensinstallationen: 1 — högfrekvensanordning med en belastningskondensator, 2 — ett block av mellanliggande oscillerande kretsar med en effektregulator, trimningskapacitanser och induktanser, 3 — lampgenerator med separation av anoder och nätverk kretsar, 4 — halvledarlikriktare: 5 — stegtransformator, c — block som skyddar installationen från onormala driftlägen.

Industrin producerar ett stort antal högfrekventa installationer för olika ändamål. För värmebehandling av produkter används seriella högfrekvensgeneratorer, för vilka specialiserade enheter tillverkas.

Att välja en generator för uppvärmning med ett dielektrikum handlar om att bestämma dess effekt och frekvens.

Högfrekvensgeneratorns oscillerande effekt Pg måste vara större än värmeflödet Ф som krävs för värmebehandling av materialet med värdet av förlusterna i arbetskondensatorn och blocket för de mellanliggande oscillerande kretsarna:

där ηk är verkningsgraden för arbetskondensatorn, beroende på arean på värmeöverföringsytan, värmeöverföringskoefficienten och temperaturskillnaden mellan materialet och mediet ηk = 0,8 ... 0,9, ηe är den elektriska verkningsgraden för oscillerande kretsen ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — effektivitet, med hänsyn tagen till förluster i högfrekventa anslutningstrådar ηl = 0,9 … 0,95.

Ström som förbrukas av generatorn från nätet:

Här är ηg generatorns verkningsgrad ηg = 0,65 … 0,85.

Den totala effektiviteten för en högfrekvent installation bestäms av produkten av effektiviteten för alla dess enheter och är lika med 0,3 ... ... 0,5.

En sådan låg verkningsgrad är en viktig faktor som förhindrar den utbredda användningen av dielektrisk uppvärmning i jordbruksproduktionen.

Energiprestandan hos högfrekventa installationer kan förbättras genom att använda värmen som avges av generatorn.

Strömmens frekvens vid uppvärmning av dielektrika och halvledare väljs baserat på erforderligt värmeflöde F. Vid värmebehandling av jordbruksprodukter begränsas det specifika volymflödet av den tillåtna hastigheten för uppvärmning och torkning. Från kraftbalansen i arbetskondensatorn vi har

där V är volymen av uppvärmt material, m3.

Den minsta frekvens med vilken den tekniska processen äger rum med en given hastighet:

där Emax är den maximala tillåtna elektriska fältstyrkan i materialet, V/m.

När frekvensen ökar minskar Em och därför ökar tillförlitligheten i den tekniska processen. Det finns dock vissa begränsningar för att öka frekvensen. Det är opraktiskt att öka frekvensen om förlustkvoten sjunker kraftigt. När frekvensen ökar blir det också allt svårare att matcha parametrarna för belastningen och generatorn. Maximal frekvens, Hz, vid vilken detta avtal tillhandahålls:

där L och C är de minsta möjliga ekvivalenta värdena för induktans och kapacitans för belastningskretsen med en fungerande kondensator.

Med stora linjära dimensioner av arbetskondensatorn kan en ökning av frekvensen leda till en ojämn fördelning av spänningen på elektroden och därför till ojämn uppvärmning. Den högsta tillåtna frekvensen, Hz, för detta tillstånd

där l är den största plattstorleken på arbetskondensatorn, m.