Диелектрично отопление

Какво е диелектрично отопление

Диелектричното нагряване се отнася до нагряване на диелектрици и полупроводници в променливо електрическо поле, под въздействието на което нагретият материал е поляризиран. Поляризацията е процес на изместване на свързаните заряди, водещ до появата на електрически момент при всеки макроскопичен обемен елемент.

Поляризацията се разделя на еластична и релаксационна: еластичната (без инерция) определя енергията на електрическото поле, а релаксацията (инерционна) — топлината, отделяна в нагретия материал. При релаксационна поляризация от външно електрическо поле се работи за преодоляване на силите на вътрешните връзки («триене») на атоми, молекули, заредени комплекси. Половината от тази работа се превръща в топлина.

Мощността, освободена в диелектрик, обикновено се отнася до единица обем и се изчислява по формулата

където γ е сложната конюгирана проводимост на материала, EM е силата на електрическото поле в материала.

Сложна проводимост

Тук εr е общата комплексна диелектрична константа.

Реалната част на ε ‘, наречена диелектрична константа, влияе върху количеството енергия, което може да се съхранява в материал. Въображаемата част на ε «, наречена фактор на загубите, е мярка за енергията (топлината), разсеяна в материала.

Коефициентът на загуба взема предвид енергията, отделена в материала както поради поляризация, така и поради токове на пропускане.

На практика изчисленията използват стойност, наречена тангенс на ъгъла на загуба:

Тангенсът на ъгъла на загуба определя отношението на енергията, изразходвана за нагряване, към съхранената енергия на електромагнитни трептения.

Като се има предвид горното, обемната специфична активна мощност, W / m3:

или

По този начин специфичната обемна мощност е пропорционална на квадрата на силата на електрическото поле в нагретия материал, честотата и коефициента на загуба.

Силата на електрическото поле в нагрятия материал зависи от приложеното напрежение, диелектричната константа ε ‘, разположението и формата на електродите, които образуват полето. За някои от най -често срещаните случаи на практика, местоположението на електродите, силата на електрическото поле се изчислява по формулите, показани на фигура 1.

Ориз. 1. Към изчисляването на силата на електрическото поле: a — цилиндричен кондензатор, b — плосък еднослоен кондензатор, c, d — плосък многослоен кондензатор с подреждане на слоеве материали, съответно, в напречно и по протежение на електрическото поле.

Трябва да се отбележи, че граничната максимална стойност на Em е ограничена от електрическата якост на нагрятия материал. Напрежението не трябва да надвишава половината от напрежението на разрушаване. Капацитетът за семена на зърнени и зеленчукови култури се взема в диапазона (5 … 10) 103 V / m, за дървесина — (5 … 40) 103 V / m, поливинилхлорид — (1 … 10 ) 105 V / m.

Коефициентът на загуба ε «зависи от химичния състав и структурата на материала, неговата температура и съдържание на влага, от честотата и силата на електрическото поле в материала.

Характеристики на диелектрично нагряване на материали

Диелектричното отопление се използва в различни индустрии и селско стопанство.

Основните характеристики на диелектричното отопление са следните.

1. Топлината се отделя в самия нагрет материал, което прави възможно ускоряването на нагряването с десетки и стотици пъти (в сравнение с конвективното отопление).Това е особено забележимо за материали с ниска топлопроводимост (дърво, зърно, пластмаси и др.).

2. Диелектричното нагряване е избирателно: специфичната обемна мощност и съответно температурата на всеки компонент от нехомогенен материал е различна. Тази функция се използва в селското стопанство, например при дезинфекция на зърно и мариноване на копринени буби,

3. По време на сушене с диелектрик се отделя топлина вътре в материала и следователно температурата в центъра е по -висока, отколкото в периферията. Влагата вътре в материала се движи от мокро към сухо и от горещо към студено. Така че, по време на конвективно сушене, температурата вътре в материала е по -ниска, отколкото в периферията, а потокът на влага поради температурния градиент предотвратява преминаването на влагата към повърхността. Това значително намалява ефективността на конвективното сушене. При диелектрично сушене потоците на влага поради температурната разлика и съдържанието на влага съвпадат. Това е основното предимство на диелектричното сушене.

4. При нагряване и сушене в електрическо поле с висока честота коефициентът на загуба намалява и съответно мощността на топлинния поток. За да поддържате мощността на необходимото ниво, трябва да промените честотата или напрежението, подавани към кондензатора.

Диелектрични отоплителни инсталации

Промишлеността произвежда както специализирани високочестотни инсталации, предназначени за термична обработка на един или няколко вида продукти, така и инсталации за общо ползване. Въпреки тези разлики, всички високочестотни инсталации имат една и съща структурна диаграма (фиг. 2).

Материалът се нагрява в работния кондензатор на високочестотното устройство 1. Високочестотното напрежение се подава към работния кондензатор през блока от междинни колебателни вериги 2, предназначени за регулиране на мощността и регулиране на генератора 3. Генератор на лампата преобразува директното напрежение, получено от полупроводниковия токоизправител 4, във високочестотно променливо напрежение. В същото време най -малко 20 … 40% от цялата енергия, получена от токоизправителя, се изразходва в генератора на лампата.

По -голямата част от енергията се губи при анода на лампата, който трябва да се охлажда с вода. Анодът на лампата се захранва по отношение на земята 5 … 15 kV, поради което системата за изолиран захранване на охлаждаща вода е много сложна. Трансформатор 5 е проектиран да увеличи мрежовото напрежение до 6 … 10 kV и да изключи проводимата връзка между генератора и електрическата мрежа. Блок 6 се използва за включване и изключване на инсталацията, последователно извършване на технологични операции и защита от аварийни режими.

Диелектричните отоплителни инсталации се различават една от друга по мощността и честотата на генератора, по конструкцията на спомагателно оборудване, предназначено за преместване и задържане на обработвания материал, както и за механично въздействие върху него.

Ориз. 2. Блокова схема на високочестотната инсталация: 1 — високочестотно устройство с натоварващ кондензатор, 2 — блок от междинни колебателни вериги с регулатор на мощността, подстригващи капацитети и индуктивности, 3 — генератор на лампа с разделяне на аноди и мрежови вериги, 4 — полупроводников токоизправител: 5 — повишаващ трансформатор, c — блок, предпазващ инсталацията от ненормални режими на работа.

Промишлеността произвежда голям брой високочестотни инсталации за различни цели. За топлинна обработка на продукти се използват серийни високочестотни генератори, за които се произвеждат специализирани устройства.

Изборът на генератор за нагряване с диелектрик се свежда до определяне на неговата мощност и честота.

Колебателната мощност Pg на високочестотния генератор трябва да бъде по-голяма от топлинния поток Ф, необходим за топлинната обработка на материала, чрез стойността на загубите в работния кондензатор и блока на междинните колебателни вериги:

където ηk е ефективността.работен кондензатор, в зависимост от площта на топлопреносната повърхност, коефициента на топлопреминаване и температурната разлика между материала и средата ηk = 0,8 … 0,9, ηe е електрическата ефективност на трептящия кръг ηe = 0,65 … 0, 7, ηl — ефективност, като се вземат предвид загубите във високочестотни свързващи проводници ηl = 0,9 … 0,95.

Консумирана мощност от генератора от мрежата:

Тук ηg е ефективността на генератора ηg = 0,65 … 0,85.

Общата ефективност на високочестотна инсталация се определя от произведението на ефективността на всички нейни блокове и е равна на 0,3 … … 0,5.

Такава ниска ефективност е важен фактор, който възпрепятства широкото използване на диелектрично отопление в селскостопанското производство.

Енергийните характеристики на високочестотните инсталации могат да бъдат подобрени, като се използва топлината, разсейвана от генератора.

Честотата на тока при нагряване на диелектрици и полупроводници се избира въз основа на необходимия топлинен поток F. При термичната обработка на селскостопански продукти специфичният обемен поток е ограничен от допустимата скорост на нагряване и сушене. От баланса на силите в работния кондензатор, който имаме

където V е обемът на нагрятия материал, m3.

Минималната честота, с която технологичният процес протича с дадена скорост:

където Emax е максимално допустимата сила на електрическото поле в материала, V / m.

С увеличаване на честотата Em намалява и следователно надеждността на технологичния процес се увеличава. Съществуват обаче някои ограничения за увеличаване на честотата. Непрактично е да се увеличава честотата, ако коефициентът на загуба рязко намалее. Освен това с увеличаване на честотата става все по -трудно да се съпоставят параметрите на товара и генератора. Максимална честота, Hz, при която се предоставя това споразумение:

където L и C са минимално възможните еквивалентни стойности на индуктивност и капацитет на товарната верига с работещ кондензатор.

При големи линейни размери на работния кондензатор, увеличаването на честотата може да доведе до неравномерно разпределение на напрежението по електрода и следователно до неравномерно нагряване. Максимално допустимата честота, Hz, за това условие

където l е най -големият размер на плочата на работния кондензатор, m.