Dielektrinis šildymas

Kas yra dielektrinis šildymas

Dielektrinis šildymas reiškia dielektrikų ir puslaidininkių kaitinimą kintamajame elektriniame lauke, kurio įtakoje kaitinama medžiaga poliarizuojasi. Poliarizacija yra susijusių krūvių poslinkio procesas, dėl kurio kiekviename makroskopiniame tūrio elemente atsiranda elektrinis momentas.

Poliarizacija skirstoma į elastinę ir relaksacinę: elastinė (be inercijos) lemia elektrinio lauko energiją, o relaksacija (inercinė) – įkaitintoje medžiagoje išsiskiriančią šilumą. Atliekant relaksacinę poliarizaciją išoriniu elektriniu lauku, dirbama siekiant įveikti atomų, molekulių, įkrautų kompleksų vidinių ryšių ("trinties") jėgas. Pusė šio darbo paverčiama šiluma.

Dielektrike išsiskirianti galia paprastai nurodoma tūrio vienetu ir apskaičiuojama pagal formulę

kur γ yra sudėtingas konjuguotas medžiagos laidumas, EM yra elektrinio lauko stipris medžiagoje.

Sudėtingas laidumas

Čia εr yra bendra kompleksinė dielektrinė konstanta.

Tikroji ε' dalis, vadinama dielektrine konstanta, turi įtakos energijos kiekiui, kurį galima sukaupti medžiagoje. Įsivaizduojama ε « dalis, vadinama nuostolių koeficientu, yra medžiagoje išsklaidytos energijos (šilumos) matas.

Nuostolių koeficientas atsižvelgia į energiją, išsklaidytą medžiagoje dėl poliarizacijos ir nuotėkio srovių.

Praktiškai skaičiavimams naudojama vertė, vadinama nuostolio kampo liestine:

Nuostolių kampo liestinė lemia šildymui sunaudotos energijos ir sukauptos elektromagnetinių virpesių energijos santykį.

Atsižvelgiant į tai, kas išdėstyta pirmiau, tūrinė savitoji aktyvioji galia, W / m3:

arba

Taigi specifinė tūrinė galia yra proporcinga elektrinio lauko stiprio įkaitintoje medžiagoje kvadratui, dažniui ir nuostolių koeficientui.

Elektrinio lauko stipris šildomoje medžiagoje priklauso nuo naudojamos įtampos, dielektrinės konstantos ε ', lauką formuojančių elektrodų vietos ir formos. Kai kuriais dažniausiai praktikoje pasitaikančiais atvejais elektrodų vieta, elektrinio lauko stipris apskaičiuojamas pagal 1 paveiksle parodytas formules.

Ryžiai. 1. Elektrinio lauko stipriui apskaičiuoti: a — cilindrinis kondensatorius, b — plokščias vieno sluoksnio kondensatorius, c, d — plokščias daugiasluoksnis kondensatorius su medžiagų sluoksnių išdėstymu atitinkamai skersai ir išilgai elektrinio lauko .

Reikėtų pažymėti, kad ribinę didžiausią Em vertę riboja šildomos medžiagos elektrinis stiprumas. Įtampa neturi viršyti pusės gedimo įtampos.Grūdinių ir daržovių sėklų našumas yra (5…10) 103 V/m, medienos – (5…40) 103 V/m, polivinilchlorido – (1…10) 105 V/m.

Nuostolių koeficientas ε « priklauso nuo medžiagos cheminės sudėties ir struktūros, jos temperatūros ir drėgmės kiekio, nuo elektrinio lauko medžiagoje dažnio ir stiprumo.

Medžiagų dielektrinės šildymo charakteristikos

Dielektrinis šildymas naudojamas įvairiose pramonės šakose ir žemės ūkyje.

Pagrindinės dielektrinio šildymo charakteristikos yra šios.

1. Pačioje įkaitintoje medžiagoje išsiskiria šiluma, todėl įkaitimą galima paspartinti dešimtimis ir šimtais kartų (lyginant su konvekciniu šildymu).Ypač tai pastebima žemo šilumos laidumo medžiagoms (mediena, grūdai, plastikai ir kt.). ).

2. Dielektrinis kaitinimas yra selektyvus: skirtingos nehomogeninės medžiagos kiekvieno komponento savitoji tūrinė galia ir atitinkamai temperatūra. Ši funkcija naudojama žemės ūkyje, pavyzdžiui, dezinfekuojant grūdus ir marinuojant šilkaverpius,

3. Dielektrinio džiovinimo metu medžiagos viduje išsiskiria šiluma ir todėl temperatūra centre yra aukštesnė nei periferijoje. Drėgmė medžiagos viduje pereina iš drėgnos į sausą ir iš karštos į šaltą. Taigi konvekcinio džiovinimo metu temperatūra medžiagos viduje yra žemesnė nei periferijoje, o drėgmės srautas dėl temperatūros gradiento neleidžia drėgmei judėti į paviršių. Tai labai sumažina konvekcinio džiovinimo efektyvumą. Dielektrinio džiovinimo metu drėgmės srautai dėl temperatūrų skirtumo ir drėgmės kiekio sutampa.Tai yra pagrindinis dielektrinio džiovinimo pranašumas.

4. Šildant ir džiovinant aukšto dažnio elektriniame lauke mažėja nuostolių koeficientas ir atitinkamai šilumos srauto galia. Norint išlaikyti reikiamą galią, reikia pakeisti į kondensatorių tiekiamą dažnį arba įtampą.

Dielektrinio šildymo įrenginiai

Pramonė gamina tiek specializuotus aukšto dažnio įrenginius, skirtus vieno ar kelių rūšių gaminių terminiam apdorojimui, tiek bendrojo naudojimo įrenginius. Nepaisant šių skirtumų, visi aukšto dažnio įrenginiai turi tą pačią konstrukcinę schemą (2 pav.).

Medžiaga kaitinama aukšto dažnio įrenginio darbiniame kondensatoriuje 1. Aukšto dažnio įtampa į darbinį kondensatorių tiekiama per tarpinių virpesių grandinių bloką 2, skirtą galiai reguliuoti ir generatoriaus reguliavimui 3. Lempos generatorius konvertuoja nuolatinė įtampa, gaunama iš puslaidininkinio lygintuvo 4, esant aukšto dažnio kintamajai įtampai. Tuo pačiu metu ne mažiau kaip 20 ... 40% visos energijos, gaunamos iš lygintuvo, išleidžiama lempos generatoriuje.

Didžioji dalis energijos prarandama prie lempos anodo, kuris turi būti aušinamas vandeniu. Lempos anodas įžeminimo atžvilgiu tiekiamas 5…15 kV, todėl izoliuoto aušinimo vandens tiekimo sistema yra labai sudėtinga. Transformatorius 5 skirtas padidinti tinklo įtampą iki 6 ... 10 kV ir atjungti laidžią jungtį tarp generatoriaus ir elektros tinklo. 6 blokas naudojamas instaliacijai įjungti ir išjungti, nuosekliai atlikti technologines operacijas ir apsaugoti nuo avarinių režimų.

Dielektrinės šildymo sistemos skiriasi viena nuo kitos generatoriaus galia ir dažniu, pagalbinės įrangos, skirtos apdorotai medžiagai perkelti ir laikyti, taip pat mechaniniu poveikiu jai, konstrukcija.

Ryžiai. 2. Aukšto dažnio instaliacijos blokinė schema: 1 — aukšto dažnio įrenginys su apkrovos kondensatoriumi, 2 — tarpinių virpesių grandinių blokas su galios reguliatoriumi, apkarpančiomis talpomis ir induktyvumu, 3 — lempos generatorius su anodų ir tinklo atskyrimu. grandinės, 4 — puslaidininkinis lygintuvas : 5 — pakopinis transformatorius, c — blokas, apsaugantis įrenginį nuo nenormalių darbo režimų.

Pramonė gamina daugybę aukšto dažnio įrenginių įvairiems tikslams. Gaminių terminiam apdorojimui naudojami nuoseklūs aukšto dažnio generatoriai, kuriems gaminami specializuoti įrenginiai.

Pasirinkus generatorių šildymui dielektriku, reikia nustatyti jo galią ir dažnį.

Aukšto dažnio generatoriaus svyravimo galia Pg turi būti didesnė už šilumos srautą Ф, reikalingą medžiagai termiškai apdoroti, atsižvelgiant į nuostolius darbiniame kondensatoriuje ir tarpinių virpesių grandinių bloke:

čia ηk yra darbinio kondensatoriaus naudingumo koeficientas, priklausomai nuo šilumos perdavimo paviršiaus ploto, šilumos perdavimo koeficiento ir temperatūrų skirtumo tarp medžiagos ir terpės ηk = 0,8 ... 0,9, ηe yra elektrinis naudingumo koeficientas svyravimo grandinė ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — naudingumo koeficientas, atsižvelgiant į nuostolius aukšto dažnio jungiamuose laiduose ηl = 0,9 … 0,95.

Energija, kurią generatorius suvartoja iš tinklo:

Čia ηg yra generatoriaus naudingumo koeficientas ηg = 0,65 … 0,85.

Bendras aukšto dažnio įrenginio efektyvumas nustatomas pagal visų jo mazgų naudingumo koeficientą ir yra lygus 0,3 ... ... 0,5.

Toks mažas efektyvumas yra svarbus veiksnys, neleidžiantis plačiai naudoti dielektrinio šildymo žemės ūkio gamyboje.

Aukšto dažnio įrenginių energetinis efektyvumas gali būti pagerintas naudojant generatoriaus išsklaidytą šilumą.

Srovės dažnis kaitinant dielektrikus ir puslaidininkius parenkamas pagal reikalingą šilumos srautą F. Termiškai apdorojant žemės ūkio produkciją specifinis tūrinis srautas ribojamas leistino kaitinimo ir džiovinimo greičio. Iš jėgų pusiausvyros darbiniame kondensatoriuje turime

čia V – įkaitintos medžiagos tūris, m3.

Mažiausias dažnis, kuriuo technologinis procesas vyksta tam tikru greičiu:

kur Emax yra didžiausias leistinas elektrinio lauko stipris medžiagoje, V / m.

Didėjant dažniui Em mažėja ir todėl didėja technologinio proceso patikimumas. Tačiau dažniui didinti yra tam tikrų apribojimų. Nepraktiška didinti dažnį, jei nuostolių santykis smarkiai sumažėja. Taip pat, didėjant dažniui, darosi vis sunkiau suderinti apkrovos ir generatoriaus parametrus. Maksimalus dažnis, Hz, kuriuo ši sutartis yra numatyta:

kur L ir C yra mažiausios galimos lygiavertės apkrovos grandinės su darbiniu kondensatoriumi induktyvumo ir talpos vertės.

Esant dideliems linijiniams darbinio kondensatoriaus matmenims, dažnio padidėjimas gali sukelti netolygų įtampos pasiskirstymą ant elektrodo ir dėl to netolygų šildymą. Didžiausias leistinas dažnis, Hz, šiai sąlygai

čia l yra didžiausias darbinio kondensatoriaus plokštės dydis, m.