Диелектрично грејање

Шта је диелектрично грејање

Диелектрично загревање се односи на загревање диелектрика и полупроводника у наизменичном електричном пољу под чијим утицајем се загрејани материјал поларизује. Поларизација је процес померања повезаних наелектрисања, који доводи до појаве електричног момента на сваком макроскопском елементу запремине.

Поларизација се дели на еластичну и релаксацију: еластична (без инерције) одређује енергију електричног поља, а релаксација (инерцијална) одређује топлоту која се ослобађа у загрејаном материјалу. У релаксационој поларизацији спољашњим електричним пољем ради се на превазилажењу сила унутрашњих веза („трења“) атома, молекула, наелектрисаних комплекса. Половина овог рада се претвара у топлоту.

Снага ослобођена у диелектрику се обично односи на јединицу запремине и израчунава се по формули

где је γ комплексна коњугована проводљивост материјала, ЕМ је јачина електричног поља у материјалу.

Сложена проводљивост

Овде је εр укупна комплексна диелектрична константа.

Реални део ε', назван диелектрична константа, утиче на количину енергије која се може ускладиштити у материјалу. Имагинарни део ε «, назван фактор губитка, је мера енергије (топлоте) распршене у материјалу.

Фактор губитка узима у обзир енергију која се расипа у материјалу због поларизације и струје цурења.

У пракси, прорачуни користе вредност која се зове тангента угла губитка:

Тангенс угла губитка одређује однос енергије утрошене на загревање према ускладиштеној енергији електромагнетних осцилација.

Узимајући у обзир горе наведено, запреминска специфична активна снага, В / м3:

или

Дакле, специфична запреминска снага је пропорционална квадрату јачине електричног поља у загрејаном материјалу, фреквенцији и фактору губитка.

Јачина електричног поља у загрејаном материјалу зависи од примењеног напона, диелектричне константе ε ', положаја и облика електрода које формирају поље. За неке од најчешћих случајева у пракси, положај електрода, јачина електричног поља се израчунава по формулама приказаним на слици 1.

Пиринач. 1. За прорачун јачине електричног поља: а — цилиндрични кондензатор, б — раван једнослојни кондензатор, ц, д — раван вишеслојни кондензатор са распоредом слојева материјала, респективно, у попречном и дуж електричног поља .

Треба напоменути да је гранична максимална вредност Ем ограничена електричном чврстоћом загрејаног материјала. Напон не би требало да прелази половину пробојног напона.Капацитет за семе житарица и повртарских култура узима се у опсегу (5…10) 103 В/м, за дрво — (5…40) 103 В/м, поливинилхлорид — (1…10) 105 В/м.

Коефицијент губитка ε « зависи од хемијског састава и структуре материјала, његове температуре и садржаја влаге, од фреквенције и јачине електричног поља у материјалу.

Карактеристике диелектричног загревања материјала

Диелектрично грејање се користи у разним индустријама и пољопривреди.

Главне карактеристике диелектричног грејања су следеће.

1. У самом загрејаном материјалу се ослобађа топлота, што омогућава убрзање загревања за десетине и стотине пута (у поређењу са конвективним загревањем).То је посебно приметно код материјала са ниском топлотном проводљивошћу (дрво, зрно, пластика итд.). ).

2. Диелектрично загревање је селективно: специфична запреминска снага и, сходно томе, температура сваке компоненте нехомогеног материјала је различита. Ова функција се користи у пољопривреди, на пример за дезинфекцију житарица и кисељење свилених буба,

3. Током диелектричног сушења, топлота се ослобађа унутар материјала и стога је температура у центру виша него на периферији. Влага унутар материјала се креће од влажног до сувог и од топлог до хладног. Дакле, током конвективног сушења температура унутар материјала је нижа него на периферији, а проток влаге због температурног градијента спречава да се влага помери на површину. Ово у великој мери смањује ефикасност конвективног сушења. Код диелектричног сушења, токови влаге због температурне разлике и садржај влаге се поклапају.Ово је главна предност диелектричног сушења.

4. Приликом загревања и сушења у електричном пољу са високом фреквенцијом, смањује се коефицијент губитка и, сходно томе, снага топлотног тока. Да бисте задржали снагу на потребном нивоу, потребно је да промените фреквенцију или напон који се доводи до кондензатора.

Инсталације за диелектрично грејање

Индустрија производи како специјализоване високофреквентне инсталације намењене за термичку обраду једне или више врста производа, тако и инсталације за општу употребу. Упркос овим разликама, све високофреквентне инсталације имају исти структурни дијаграм (слика 2).

Материјал се загрева у радном кондензатору високофреквентног уређаја 1. Високофреквентни напон се доводи до радног кондензатора преко блока међуосцилационих кола 2, дизајнираних за регулацију снаге и регулацију генератора 3. Генератор лампе претвара једносмерни напон примљен од полупроводничког исправљача 4, у високофреквентном наизменичном напону. Истовремено, најмање 20 ... 40% све енергије примљене од исправљача троши се у генератор лампе.

Већина енергије се губи на аноди лампе, која се мора хладити водом. Анода лампе се напаја у односу на уземљење 5…15 кВ, тако да је систем изолованог снабдевања расхладном водом веома сложен. Трансформатор 5 је дизајниран да повећа напон мреже на 6 ... 10 кВ и искључи проводну везу између генератора и електричне мреже. Блок 6 се користи за укључивање и искључивање инсталације, узастопно обављање технолошких операција и заштиту од хитних режима.

Инсталације за диелектрично грејање се разликују једна од друге по снази и фреквенцији генератора, у конструкцији помоћне опреме намењене за померање и држање обрађеног материјала, као и за механички утицај на њега.

Пиринач. 2. Блок шема високофреквентне инсталације: 1 — високофреквентни уређај са кондензатором оптерећења, 2 — блок међуосцилационих кола са регулатором снаге, трим капацитивности и индуктивности, 3 — генератор лампе са одвајањем анода и мреже. кола, 4 — полупроводнички исправљач : 5 — појачани трансформатор, ц — блок који штити инсталацију од абнормалних режима рада.

Индустрија производи велики број високофреквентних инсталација за различите намене. За топлотну обраду производа користе се серијски високофреквентни генератори, за које се производе специјализовани уређаји.

Избор генератора за грејање са диелектриком своди се на одређивање његове снаге и фреквенције.

Осцилујућа снага Пг високофреквентног генератора мора бити већа од топлотног тока Ф неопходног за топлотну обраду материјала за вредност губитака у радном кондензатору и блоку међуосцилационих кола:

где је ηк ефикасност радног кондензатора, у зависности од површине површине преноса топлоте, коефицијента преноса топлоте и температурне разлике између материјала и медија ηк = 0,8 ... 0,9, ηе је електрична ефикасност осцилационо коло ηе = 0,65 ... 0 , 7, ηл — ефикасност, узимајући у обзир губитке у високофреквентним прикључним жицама ηл = 0,9 … 0,95.

Снага коју генератор троши из мреже:

Овде ηг је ефикасност генератора ηг = 0,65 … 0,85.

Укупна ефикасност високофреквентне инсталације одређена је производом ефикасности свих њених јединица и једнака је 0,3 ... ... 0,5.

Овако ниска ефикасност је важан фактор који спречава широку примену диелектричног грејања у пољопривредној производњи.

Енергетске перформансе високофреквентних инсталација могу се побољшати коришћењем топлоте коју расипа генератор.

Учесталост струје при загревању диелектрика и полупроводника се бира на основу потребног топлотног тока Ф. У топлотној обради пољопривредних производа специфични запремински проток је ограничен дозвољеном брзином загревања и сушења. Из односа сила у радном кондензатору имамо

где је В запремина загрејаног материјала, м3.

Минимална фреквенција којом се технолошки процес одвија при датој брзини:

где је Емак највећа дозвољена јачина електричног поља у материјалу, В / м.

Са повећањем фреквенције, Ем опада и самим тим се повећава поузданост технолошког процеса. Међутим, постоје нека ограничења за повећање фреквенције. Непрактично је повећавати фреквенцију ако однос губитака нагло опадне. Такође, како се фреквенција повећава, постаје све теже ускладити параметре оптерећења и генератора. Максимална фреквенција, Хз, на којој је обезбеђен овај уговор:

где су Л и Ц минималне могуће еквивалентне вредности индуктивности и капацитивности кола оптерећења са радним кондензатором.

Са великим линеарним димензијама радног кондензатора, повећање фреквенције може довести до неравномерне расподеле напона на електроди и, према томе, до неравномерног загревања. Максимална дозвољена фреквенција, Хз, за ​​овај услов

где је л највећа величина плоче радног кондензатора, м.