Διηλεκτρική θέρμανση

Τι είναι η διηλεκτρική θέρμανση

Η διηλεκτρική θέρμανση αναφέρεται στη θέρμανση διηλεκτρικών και ημιαγωγών σε ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο υπό την επίδραση του οποίου πολώνεται το θερμαινόμενο υλικό. Η πόλωση είναι μια διαδικασία μετατόπισης των σχετικών φορτίων, που οδηγεί στην εμφάνιση μιας ηλεκτρικής ροπής σε κάθε στοιχείο μακροσκοπικού όγκου.

Η πόλωση χωρίζεται σε ελαστική και χαλάρωση: η ελαστική (χωρίς αδράνεια) καθορίζει την ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου και η χαλάρωση (αδρανειακή) καθορίζει τη θερμότητα που απελευθερώνεται στο θερμαινόμενο υλικό. Στην πόλωση χαλάρωσης από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, γίνεται δουλειά για να ξεπεραστούν οι δυνάμεις των εσωτερικών δεσμών («τριβή») ατόμων, μορίων, φορτισμένων συμπλεγμάτων. Το μισό από αυτό το έργο μετατρέπεται σε θερμότητα.

Η ισχύς που απελευθερώνεται σε ένα διηλεκτρικό συνήθως αναφέρεται σε μονάδα όγκου και υπολογίζεται από τον τύπο

όπου γ είναι η σύνθετη συζευγμένη αγωγιμότητα του υλικού, ΕΜ είναι η ένταση ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό.

Πολύπλοκη αγωγιμότητα

Εδώ, εr είναι η συνολική μιγαδική διηλεκτρική σταθερά.

Το πραγματικό μέρος του ε', που ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά, επηρεάζει την ποσότητα ενέργειας που μπορεί να αποθηκευτεί σε ένα υλικό. Το φανταστικό μέρος του ε «, που ονομάζεται συντελεστής απώλειας, είναι ένα μέτρο της ενέργειας (θερμότητας) που διαχέεται στο υλικό.

Ο συντελεστής απώλειας λαμβάνει υπόψη την ενέργεια που διαχέεται στο υλικό τόσο λόγω πόλωσης όσο και λόγω ρευμάτων διαρροής.

Στην πράξη, οι υπολογισμοί χρησιμοποιούν μια τιμή που ονομάζεται εφαπτομένη γωνία απώλειας:

Η εφαπτομένη της γωνίας απώλειας καθορίζει την αναλογία της ενέργειας που δαπανάται για τη θέρμανση προς την αποθηκευμένη ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών ταλαντώσεων.

Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, η ογκομετρική ειδική ενεργή ισχύς, W / m3:

ή

Έτσι, η συγκεκριμένη ισχύς όγκου είναι ανάλογη με το τετράγωνο της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου στο θερμαινόμενο υλικό, τη συχνότητα και τον παράγοντα απώλειας.

Η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου στο θερμαινόμενο υλικό εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη τάση, τη διηλεκτρική σταθερά ε ', τη θέση και το σχήμα των ηλεκτροδίων που σχηματίζουν το πεδίο. Για μερικές από τις πιο συνηθισμένες περιπτώσεις στην πράξη, η θέση των ηλεκτροδίων, η ισχύς του ηλεκτρικού πεδίου υπολογίζεται από τους τύπους που φαίνονται στο σχήμα 1.

Ρύζι. 1. Για τον υπολογισμό της ισχύος του ηλεκτρικού πεδίου: α — κυλινδρικός πυκνωτής, β — επίπεδος πυκνωτής μονής στρώσης, γ, δ — επίπεδος πυκνωτής πολλαπλών στρώσεων με διάταξη στρωμάτων υλικών, αντίστοιχα, εγκάρσια και κατά μήκος του ηλεκτρικού πεδίου .

Πρέπει να σημειωθεί ότι η οριακή μέγιστη τιμή του Em περιορίζεται από την ηλεκτρική αντοχή του θερμαινόμενου υλικού. Η τάση δεν πρέπει να υπερβαίνει το ήμισυ της τάσης διάσπασης.Η χωρητικότητα για σπόρους σιτηρών και κηπευτικών λαμβάνεται στην περιοχή (5 … 10) 103 V / m, για ξύλο — (5 … 40) 103 V / m, πολυβινυλοχλωρίδιο — (1 … 10 ) 105 V / m.

Ο συντελεστής απώλειας ε « εξαρτάται από τη χημική σύσταση και δομή του υλικού, τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητά του σε υγρασία, από τη συχνότητα και την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό.

Χαρακτηριστικά διηλεκτρικής θέρμανσης υλικών

Η διηλεκτρική θέρμανση χρησιμοποιείται σε διάφορες βιομηχανίες και τη γεωργία.

Τα κύρια χαρακτηριστικά της διηλεκτρικής θέρμανσης είναι τα εξής.

1. Απελευθερώνεται θερμότητα στο ίδιο το θερμαινόμενο υλικό, γεγονός που καθιστά δυνατή την επιτάχυνση της θέρμανσης κατά δεκάδες και εκατοντάδες φορές (σε σύγκριση με τη θέρμανση με συναγωγή) Αυτό είναι ιδιαίτερα αισθητό για υλικά με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (ξύλο, κόκκος, πλαστικό κ.λπ.). ).

2. Η διηλεκτρική θέρμανση είναι επιλεκτική: η συγκεκριμένη ογκομετρική ισχύς και, κατά συνέπεια, η θερμοκρασία κάθε συστατικού ενός ανομοιογενούς υλικού είναι διαφορετική. Αυτή η λειτουργία χρησιμοποιείται στη γεωργία, για παράδειγμα στην απολύμανση σιτηρών και στην αποξήρανση μεταξοσκώληκων,

3. Κατά τη διηλεκτρική ξήρανση, απελευθερώνεται θερμότητα στο εσωτερικό του υλικού και επομένως η θερμοκρασία στο κέντρο είναι υψηλότερη από ό,τι στην περιφέρεια. Η υγρασία στο εσωτερικό του υλικού μετακινείται από υγρό σε στεγνό και από ζεστό στο κρύο. Έτσι, κατά τη διάρκεια της συναγωγής ξήρανσης, η θερμοκρασία στο εσωτερικό του υλικού είναι χαμηλότερη από ό,τι στην περιφέρεια και η ροή της υγρασίας λόγω της κλίσης θερμοκρασίας εμποδίζει την υγρασία να μετακινηθεί στην επιφάνεια. Αυτό μειώνει σημαντικά την αποτελεσματικότητα της συναγωγής ξήρανσης. Στη διηλεκτρική ξήρανση, η υγρασία ρέει λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας και η περιεκτικότητα σε υγρασία συμπίπτουν.Αυτό είναι το κύριο πλεονέκτημα της διηλεκτρικής ξήρανσης.

4. Κατά τη θέρμανση και ξήρανση σε ηλεκτρικό πεδίο με υψηλή συχνότητα, μειώνεται ο συντελεστής απώλειας και, κατά συνέπεια, η ισχύς της ροής θερμότητας. Για να διατηρήσετε την ισχύ στο απαιτούμενο επίπεδο, πρέπει να αλλάξετε τη συχνότητα ή την τάση που παρέχεται στον πυκνωτή.

Διηλεκτρικές εγκαταστάσεις θέρμανσης

Η βιομηχανία παράγει τόσο εξειδικευμένες εγκαταστάσεις υψηλής συχνότητας που προορίζονται για θερμική επεξεργασία ενός ή περισσότερων τύπων προϊόντων, όσο και εγκαταστάσεις γενικής χρήσης. Παρά αυτές τις διαφορές, όλες οι εγκαταστάσεις υψηλής συχνότητας έχουν το ίδιο δομικό διάγραμμα (Εικ. 2).

Το υλικό θερμαίνεται στον πυκνωτή εργασίας της συσκευής υψηλής συχνότητας 1. Η τάση υψηλής συχνότητας παρέχεται στον πυκνωτή εργασίας μέσω του μπλοκ ενδιάμεσων ταλαντευόμενων κυκλωμάτων 2, σχεδιασμένων για ρύθμιση ισχύος και ρύθμιση γεννήτριας 3. Η γεννήτρια λαμπτήρων μετατρέπει το άμεση τάση που λαμβάνεται από τον ανορθωτή ημιαγωγών 4, σε εναλλασσόμενη τάση υψηλής συχνότητας. Ταυτόχρονα, τουλάχιστον το 20 ... 40% όλης της ενέργειας που λαμβάνεται από τον ανορθωτή ξοδεύεται στη γεννήτρια λαμπτήρων.

Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας χάνεται στην άνοδο της λάμπας, η οποία πρέπει να ψύχεται με νερό. Η άνοδος του λαμπτήρα τροφοδοτείται σε σχέση με τη γη 5 … 15 kV, επομένως το σύστημα απομονωμένης παροχής νερού ψύξης είναι πολύ περίπλοκο. Ο μετασχηματιστής 5 έχει σχεδιαστεί για να αυξάνει την τάση δικτύου στα 6 ... 10 kV και να αποσυνδέει την αγώγιμη σύνδεση μεταξύ της γεννήτριας και του ηλεκτρικού δικτύου. Το μπλοκ 6 χρησιμοποιείται για την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της εγκατάστασης, τη διαδοχική εκτέλεση τεχνολογικών λειτουργιών και την προστασία από καταστάσεις έκτακτης ανάγκης.

Οι εγκαταστάσεις διηλεκτρικής θέρμανσης διαφέρουν μεταξύ τους ως προς την ισχύ και τη συχνότητα της γεννήτριας, στην κατασκευή βοηθητικού εξοπλισμού που έχει σχεδιαστεί για τη μετακίνηση και συγκράτηση του επεξεργασμένου υλικού, καθώς και για τη μηχανική επίδραση σε αυτό.

Ρύζι. 2. Μπλοκ διάγραμμα της εγκατάστασης υψηλής συχνότητας: 1 — συσκευή υψηλής συχνότητας με πυκνωτή φορτίου, 2 — μπλοκ ενδιάμεσων ταλαντευόμενων κυκλωμάτων με ρυθμιστή ισχύος, χωρητικότητες περικοπής και επαγωγές, 3 — γεννήτρια λαμπτήρων με διαχωρισμό ανοδίων και δικτύου κυκλώματα, 4 — ανορθωτής ημιαγωγών : 5 — μετασχηματιστής ανόδου, c — μπλοκ που προστατεύει την εγκατάσταση από μη κανονικούς τρόπους λειτουργίας.

Η βιομηχανία παράγει μεγάλο αριθμό εγκαταστάσεων υψηλής συχνότητας για διάφορους σκοπούς. Για τη θερμική επεξεργασία προϊόντων χρησιμοποιούνται σειριακές γεννήτριες υψηλής συχνότητας, για τις οποίες κατασκευάζονται εξειδικευμένες συσκευές.

Η επιλογή μιας γεννήτριας για θέρμανση με διηλεκτρικό εξαρτάται στον προσδιορισμό της ισχύος και της συχνότητάς της.

Η ισχύς ταλάντωσης Pg της γεννήτριας υψηλής συχνότητας πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη ροή θερμότητας Ф που απαιτείται για τη θερμική επεξεργασία του υλικού από την τιμή των απωλειών στον πυκνωτή εργασίας και στο μπλοκ των ενδιάμεσων ταλαντευόμενων κυκλωμάτων:

όπου ηk είναι η απόδοση του πυκνωτή εργασίας, ανάλογα με την περιοχή της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας, τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του υλικού και του μέσου ηk = 0,8 ... 0,9, ηe είναι η ηλεκτρική απόδοση του το κύκλωμα ταλάντωσης ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες στα καλώδια σύνδεσης υψηλής συχνότητας ηl = 0,9 … 0,95.

Ισχύς που καταναλώνεται από τη γεννήτρια από το δίκτυο:

Εδώ ηg είναι η απόδοση της γεννήτριας ηg = 0,65 … 0,85.

Η συνολική απόδοση μιας εγκατάστασης υψηλής συχνότητας καθορίζεται από το γινόμενο της απόδοσης όλων των μονάδων της και είναι ίση με 0,3 ... ... 0,5.

Η τόσο χαμηλή απόδοση είναι ένας σημαντικός παράγοντας που εμποδίζει την ευρεία χρήση της διηλεκτρικής θέρμανσης στη γεωργική παραγωγή.

Η ενεργειακή απόδοση των εγκαταστάσεων υψηλής συχνότητας μπορεί να βελτιωθεί χρησιμοποιώντας τη θερμότητα που διαχέεται από τη γεννήτρια.

Η συχνότητα του ρεύματος κατά τη θέρμανση διηλεκτρικών και ημιαγωγών επιλέγεται με βάση την απαιτούμενη ροή θερμότητας F. Στη θερμική επεξεργασία των γεωργικών προϊόντων, η συγκεκριμένη ροή όγκου περιορίζεται από τον επιτρεπόμενο ρυθμό θέρμανσης και ξήρανσης. Από την ισορροπία δυνάμεων στον πυκνωτή εργασίας έχουμε

όπου V είναι ο όγκος του θερμαινόμενου υλικού, m3.

Η ελάχιστη συχνότητα με την οποία λαμβάνει χώρα η τεχνολογική διαδικασία με δεδομένη ταχύτητα:

όπου Emax είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη ένταση ηλεκτρικού πεδίου στο υλικό, V / m.

Όσο αυξάνεται η συχνότητα, το Em μειώνεται και επομένως αυξάνεται η αξιοπιστία της τεχνολογικής διαδικασίας. Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένοι περιορισμοί στην αύξηση της συχνότητας. Δεν είναι πρακτικό να αυξήσετε τη συχνότητα εάν ο λόγος απώλειας πέσει απότομα. Επίσης, όσο αυξάνεται η συχνότητα, γίνεται όλο και πιο δύσκολο να ταιριάξουμε τις παραμέτρους του φορτίου και της γεννήτριας. Μέγιστη συχνότητα, Hz, στην οποία παρέχεται αυτή η συμφωνία:

όπου L και C είναι οι ελάχιστες δυνατές ισοδύναμες τιμές επαγωγής και χωρητικότητας του κυκλώματος φορτίου με έναν πυκνωτή εργασίας.

Με μεγάλες γραμμικές διαστάσεις του πυκνωτή εργασίας, μια αύξηση της συχνότητας μπορεί να οδηγήσει σε ανομοιόμορφη κατανομή της τάσης στο ηλεκτρόδιο και, επομένως, σε ανομοιόμορφη θέρμανση. Η μέγιστη επιτρεπόμενη συχνότητα, Hz, για αυτήν την κατάσταση

όπου l είναι το μεγαλύτερο μέγεθος πλάκας του πυκνωτή εργασίας, m.