Dielektrické vykurovanie

Čo je dielektrické vykurovanie

Dielektrické ohrievanie označuje ohrievanie dielektrík a polovodičov v striedavom elektrickom poli, pod vplyvom ktorého sa ohrievaný materiál polarizuje. Polarizácia je proces premiestňovania súvisiacich nábojov, ktorý vedie k vzniku elektrického momentu na každom makroskopickom objemovom prvku.

Polarizácia sa delí na elastickú a relaxačnú: elastická (bez zotrvačnosti) určuje energiu elektrického poľa a relaxácia (zotrvačná) určuje teplo uvoľnené v ohrievanom materiáli. Pri relaxačnej polarizácii vonkajším elektrickým poľom sa pracuje na prekonaní síl vnútorných väzieb („trenie“) atómov, molekúl, nabitých komplexov. Polovica tejto práce sa premení na teplo.

Výkon uvoľnený v dielektriku sa zvyčajne vzťahuje na jednotku objemu a vypočíta sa podľa vzorca

kde γ je komplexná konjugovaná vodivosť materiálu, EM je intenzita elektrického poľa v materiáli.

Komplexné vedenie

Tu je εr celková komplexná dielektrická konštanta.

Skutočná časť ε', nazývaná dielektrická konštanta, ovplyvňuje množstvo energie, ktorá môže byť uložená v materiáli. Imaginárna časť ε «, nazývaná stratový faktor, je mierou energie (tepla) rozptýlenej v materiáli.

Stratový faktor berie do úvahy energiu rozptýlenú v materiáli v dôsledku polarizácie aj zvodových prúdov.

V praxi sa pri výpočtoch používa hodnota nazývaná tangenta uhla straty:

Tangenta stratového uhla určuje pomer energie vynaloženej na ohrev k akumulovanej energii elektromagnetických kmitov.

Vzhľadom na vyššie uvedené, objemový špecifický aktívny výkon, W / m3:

alebo

Špecifický objemový výkon je teda úmerný druhej mocnine sily elektrického poľa v ohrievanom materiáli, frekvencii a stratovému faktoru.

Sila elektrického poľa v ohrievanom materiáli závisí od použitého napätia, dielektrickej konštanty ε ', umiestnenia a tvaru elektród tvoriacich pole. Pre niektoré z najbežnejších prípadov v praxi, umiestnenie elektród, sila elektrického poľa sa vypočíta podľa vzorcov znázornených na obrázku 1.

Ryža. 1. K výpočtu intenzity elektrického poľa: a — valcový kondenzátor, b — plochý jednovrstvový kondenzátor, c, d — plochý viacvrstvový kondenzátor s usporiadaním vrstiev materiálov v priečnom smere a pozdĺž elektrického poľa .

Je potrebné poznamenať, že limitná maximálna hodnota Em je obmedzená elektrickou pevnosťou ohrievaného materiálu. Napätie by nemalo presiahnuť polovicu prierazného napätia.Kapacita pre semená obilnín a zeleninových plodín sa berie v rozmedzí (5 … 10) 103 V / m, pre drevo — (5 … 40) 103 V / m, polyvinylchlorid — (1 … 10 ) 105 V / m.

Stratový koeficient ε « závisí od chemického zloženia a štruktúry materiálu, jeho teploty a obsahu vlhkosti, od frekvencie a sily elektrického poľa v materiáli.

Dielektrické vykurovacie charakteristiky materiálov

Dielektrické vykurovanie sa používa v rôznych priemyselných odvetviach a poľnohospodárstve.

Hlavné charakteristiky dielektrického vykurovania sú nasledovné.

1. V samotnom ohrievanom materiáli sa uvoľňuje teplo, čo umožňuje desaťnásobné a stonásobné zrýchlenie ohrevu (v porovnaní s konvekčným ohrevom), čo je citeľné najmä pri materiáloch s nízkou tepelnou vodivosťou (drevo, obilie, plasty atď.). ).

2. Dielektrický ohrev je selektívny: špecifický objemový výkon a podľa toho aj teplota každej zložky nehomogénneho materiálu je rôzna. Táto funkcia sa používa v poľnohospodárstve, napríklad pri dezinfekcii obilia a morení priadky morušovej,

3. Pri dielektrickom sušení sa vo vnútri materiálu uvoľňuje teplo a preto je teplota v strede vyššia ako na periférii. Vlhkosť vo vnútri materiálu prechádza z mokrého do suchého a z horúceho do studeného. Takže pri konvekčnom sušení je teplota vo vnútri materiálu nižšia ako na okraji a prúdenie vlhkosti v dôsledku teplotného gradientu zabraňuje pohybu vlhkosti na povrch. To výrazne znižuje účinnosť konvekčného sušenia. Pri dielektrickom sušení sa toky vlhkosti v dôsledku teplotného rozdielu a obsahu vlhkosti zhodujú.Toto je hlavná výhoda dielektrického sušenia.

4. Pri ohrievaní a sušení v elektrickom poli s vysokou frekvenciou klesá stratový koeficient a tým aj výkon tepelného toku. Aby ste udržali výkon na požadovanej úrovni, musíte zmeniť frekvenciu alebo napätie dodávané do kondenzátora.

Dielektrické vykurovacie zariadenia

Priemysel vyrába tak špecializované vysokofrekvenčné zariadenia určené na tepelné spracovanie jedného alebo viacerých druhov výrobkov, ako aj zariadenia na všeobecné použitie. Napriek týmto rozdielom majú všetky vysokofrekvenčné inštalácie rovnakú konštrukčnú schému (obr. 2).

Materiál sa ohrieva v pracovnom kondenzátore vysokofrekvenčného zariadenia 1. Vysokofrekvenčné napätie je privádzané do pracovného kondenzátora cez blok medziľahlých oscilačných obvodov 2, určených na reguláciu výkonu a generátorovú reguláciu 3. Generátor lampy premieňa jednosmerné napätie prijaté z polovodičového usmerňovača 4 vo vysokofrekvenčnom striedavom napätí. Zároveň sa v generátore lampy minie najmenej 20 ... 40% všetkej energie prijatej z usmerňovača.

Väčšina energie sa stráca na anóde lampy, ktorá musí byť chladená vodou. Anóda svietidla je napájaná vzhľadom na zem 5 … 15 kV, preto je systém izolovaného prívodu chladiacej vody veľmi zložitý. Transformátor 5 je určený na zvýšenie sieťového napätia na 6 ... 10 kV a odpojenie vodivého spojenia medzi generátorom a elektrickou sieťou. Blok 6 sa používa na zapnutie a vypnutie inštalácie, postupné vykonávanie technologických operácií a ochranu pred núdzovými režimami.

Dielektrické vykurovacie zariadenia sa navzájom líšia výkonom a frekvenciou generátora, konštrukciou pomocných zariadení určených na pohyb a držanie spracovávaného materiálu, ako aj mechanickým vplyvom naň.

Ryža. 2. Bloková schéma vysokofrekvenčnej inštalácie: 1 — vysokofrekvenčné zariadenie so záťažovým kondenzátorom, 2 — blok medziľahlých oscilačných obvodov s regulátorom výkonu, trimovacími kapacitami a indukčnosťami, 3 — lampový generátor s oddelením anód a siete obvody, 4 — polovodičový usmerňovač: 5 — zvyšovací transformátor, c — blok chrániaci inštaláciu pred abnormálnymi prevádzkovými režimami.

Priemysel vyrába veľké množstvo vysokofrekvenčných zariadení na rôzne účely. Na tepelné spracovanie výrobkov sa používajú sériové vysokofrekvenčné generátory, na ktoré sa vyrábajú špecializované zariadenia.

Výber generátora na vykurovanie dielektrikom závisí od určenia jeho výkonu a frekvencie.

Oscilačný výkon Pg vysokofrekvenčného generátora musí byť väčší ako tepelný tok Ф potrebný na tepelné spracovanie materiálu o hodnotu strát v pracovnom kondenzátore a bloku medziľahlých oscilačných obvodov:

kde ηk je účinnosť pracovného kondenzátora v závislosti od plochy teplovýmennej plochy, súčiniteľa prestupu tepla a teplotného rozdielu medzi materiálom a médiom ηk = 0,8 ... 0,9, ηe je elektrická účinnosť oscilačný obvod ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — účinnosť, berúc do úvahy straty vo vysokofrekvenčných spojovacích vodičoch ηl = 0,9 … 0,95.

Energia spotrebovaná generátorom zo siete:

Tu ηg je účinnosť generátora ηg = 0,65 … 0,85.

Celková účinnosť vysokofrekvenčnej inštalácie je určená súčinom účinnosti všetkých jej jednotiek a rovná sa 0,3 ... ... 0,5.

Takáto nízka účinnosť je dôležitým faktorom, ktorý bráni širokému využívaniu dielektrického ohrevu v poľnohospodárskej výrobe.

Energetický výkon vysokofrekvenčných inštalácií možno zlepšiť použitím tepla rozptýleného generátorom.

Frekvencia prúdu pri ohreve dielektrík a polovodičov sa volí na základe požadovaného tepelného toku F. Pri tepelnom spracovaní poľnohospodárskych produktov je špecifický objemový prietok obmedzený prípustnou rýchlosťou ohrevu a sušenia. Z rovnováhy síl v pracovnom kondenzátore máme

kde V je objem ohriateho materiálu, m3.

Minimálna frekvencia, s ktorou technologický proces prebieha pri danej rýchlosti:

kde Emax je maximálna povolená intenzita elektrického poľa v materiáli, V / m.

So zvyšujúcou sa frekvenciou Em klesá a preto sa zvyšuje spoľahlivosť technologického procesu. Zvyšovanie frekvencie však má určité obmedzenia. Je nepraktické zvyšovať frekvenciu, ak stratový pomer prudko klesá. So zvyšujúcou sa frekvenciou je tiež čoraz ťažšie zosúladiť parametre záťaže a generátora. Maximálna frekvencia, Hz, pri ktorej sa poskytuje táto dohoda:

kde L a C sú minimálne možné ekvivalentné hodnoty indukčnosti a kapacity záťažového obvodu s pracovným kondenzátorom.

Pri veľkých lineárnych rozmeroch pracovného kondenzátora môže zvýšenie frekvencie viesť k nerovnomernému rozloženiu napätia na elektróde a tým k nerovnomernému zahrievaniu. Maximálna povolená frekvencia, Hz, pre túto podmienku

kde l je najväčšia veľkosť dosky pracovného kondenzátora, m.