Dielektromos fűtés

Mi az a dielektromos fűtés

A dielektromos fűtés a dielektrikumok és félvezetők hevítését jelenti váltakozó elektromos térben, amelynek hatására a felmelegített anyag polarizálódik. A polarizáció a kapcsolódó töltések elmozdulásának folyamata, amely minden makroszkopikus térfogatelemen elektromos nyomaték megjelenéséhez vezet.

A polarizációt rugalmasra és relaxációra osztják: az elasztikus (tehetetlenség nélkül) határozza meg az elektromos tér energiáját, a relaxáció (inerciális) pedig a felmelegített anyagban felszabaduló hőt. A külső elektromos térrel végzett relaxációs polarizáció során az atomok, molekulák, töltött komplexek belső kötéseinek ("súrlódási") erőinek leküzdése érdekében dolgoznak. Ennek a munkának a fele hővé alakul.

A dielektrikumban felszabaduló teljesítményt általában térfogategységnek nevezik, és a képlettel számítják ki

ahol γ az anyag komplex konjugált vezetőképessége, EM pedig az anyagban lévő elektromos térerősség.

Komplex vezetés

Itt εr a teljes komplex dielektromos állandó.

Az ε' valós része, az úgynevezett dielektromos állandó, befolyásolja az anyagban tárolható energia mennyiségét. Az ε « képzetes része, amelyet veszteségi tényezőnek neveznek, az anyagban disszipált energia (hő) mértéke.

A veszteségi tényező figyelembe veszi mind a polarizáció, mind a szivárgási áramok miatt az anyagban disszipált energiát.

A gyakorlatban a számítások a veszteségi szög érintőnek nevezett értéket használják:

A veszteségszög érintője határozza meg a fűtésre fordított energia és az elektromágneses rezgések tárolt energiájának arányát.

A fentieket figyelembe véve a térfogati fajlagos aktív teljesítmény, W / m3:

vagy

Így a fajlagos térfogati teljesítmény arányos a felmelegített anyag elektromos térerősségének négyzetével, a frekvenciával és a veszteségi tényezővel.

A felmelegített anyagban az elektromos tér erőssége függ az alkalmazott feszültségtől, az ε ' dielektromos állandótól, a teret alkotó elektródák elhelyezkedésétől és alakjától. A gyakorlatban leggyakrabban előforduló esetek, az elektródák elhelyezkedése esetén az elektromos tér erősségét az 1. ábrán látható képletekkel számítjuk ki.

Rizs. 1. Az elektromos térerősség kiszámításához: a - hengeres kondenzátor, b - lapos egyrétegű kondenzátor, c, d - lapos többrétegű kondenzátor anyagrétegek elrendezésével, keresztirányban és az elektromos tér mentén .

Megjegyzendő, hogy az Em határértékét a felmelegített anyag elektromos szilárdsága korlátozza. A feszültség nem haladhatja meg az áttörési feszültség felét.A gabona- és zöldségnövények vetőmagjának kapacitása (5…10) 103 V/m, fa esetében – (5…40) 103 V/m, polivinil-klorid – (1…10) 105 V/m.

Az ε « veszteségi együttható az anyag kémiai összetételétől és szerkezetétől, hőmérsékletétől és nedvességtartalmától, az anyagban lévő elektromos tér gyakoriságától és erősségétől függ.

Anyagok dielektromos fűtési jellemzői

A dielektromos fűtést különféle iparágakban és mezőgazdaságban használják.

A dielektromos fűtés főbb jellemzői a következők.

1. Magában a felmelegített anyagban hő szabadul fel, ami lehetővé teszi a felmelegedés tíz- és százszoros gyorsítását (a konvektív fűtéshez képest) Ez különösen az alacsony hővezető képességű anyagoknál (fa, gabona, műanyag stb.) szembetűnő. ).

2. A dielektromos fűtés szelektív: egy inhomogén anyag egyes komponenseinek fajlagos térfogati teljesítménye és ennek megfelelően a hőmérséklete eltérő. Ezt a funkciót a mezőgazdaságban használják, például a gabona fertőtlenítésére és a selyemhernyók pácolására,

3. A dielektromos szárítás során az anyag belsejében hő szabadul fel, ezért a középpontban magasabb a hőmérséklet, mint a perifériákon. Az anyag belsejében lévő nedvesség nedvesről szárazra, melegről hidegre mozog. Tehát a konvektív szárítás során az anyag belsejében a hőmérséklet alacsonyabb, mint a perifériákon, és a hőmérséklet gradiens miatti nedvességáramlás megakadályozza, hogy a nedvesség a felületre kerüljön. Ez nagymértékben csökkenti a konvektív szárítás hatékonyságát. A dielektromos szárításnál a hőmérsékletkülönbség és a nedvességtartalom miatti nedvességáramok egybeesnek.Ez a dielektromos szárítás fő előnye.

4. Nagyfrekvenciás elektromos térben történő fűtés és szárítás esetén csökken a veszteségi együttható és ennek megfelelően a hőáram teljesítménye. Ahhoz, hogy a teljesítményt a kívánt szinten tartsa, meg kell változtatnia a kondenzátor frekvenciáját vagy feszültségét.

Dielektromos fűtési rendszerek

Az ipar egy vagy több típusú termék hőkezelésére szolgáló speciális nagyfrekvenciás berendezéseket, valamint általános felhasználású berendezéseket egyaránt gyárt. E különbségek ellenére minden nagyfrekvenciás berendezésnek ugyanaz a szerkezeti diagramja (2. ábra).

Az anyagot az 1. nagyfrekvenciás készülék munkakondenzátorában melegítik fel. A nagyfrekvenciás feszültséget a teljesítményszabályozásra és a 3. generátorszabályozásra kialakított köztes oszcilláló áramkörök blokkján keresztül táplálják a munkakondenzátorba. A lámpagenerátor átalakítja a a 4 félvezető egyenirányítótól kapott egyenfeszültség nagyfrekvenciás váltakozó feszültségben. Ugyanakkor az egyenirányítóból kapott összes energia legalább 20 ... 40% -át a lámpagenerátorban töltik.

Az energia nagy része a lámpa anódján vész el, amelyet vízzel kell hűteni. A lámpa anódja a földhöz képest 5…15 kV tápfeszültséggel van ellátva, ezért a hűtővíz elkülönített ellátási rendszere igen összetett. Az 5-ös transzformátort úgy tervezték, hogy a hálózati feszültséget 6 ... 10 kV-ra növelje, és megszakítsa a vezetőképes kapcsolatot a generátor és az elektromos hálózat között. A 6-os blokk a telepítés be- és kikapcsolására, a technológiai műveletek egymás utáni végrehajtására és a vészhelyzeti módok elleni védelemre szolgál.

A dielektromos fűtőberendezések különböznek egymástól a generátor teljesítményében és frekvenciájában, a feldolgozott anyag mozgatására és megtartására tervezett segédberendezések felépítésében, valamint a mechanikai hatásban.

Rizs. 2. A nagyfrekvenciás beépítés blokkvázlata: 1 — nagyfrekvenciás készülék terhelő kondenzátorral, 2 — közbenső rezgőáramkörök blokkja teljesítményszabályozóval, trimmelő kapacitással és induktivitással, 3 — lámpagenerátor anódok és hálózat elválasztásával áramkörök, 4 — félvezető egyenirányító : 5 — emelő transzformátor, c — blokk, amely védi a berendezést a rendellenes működési módoktól.

Az ipar nagyszámú nagyfrekvenciás berendezést gyárt különféle célokra. A termékek hőkezeléséhez soros nagyfrekvenciás generátorokat használnak, amelyekhez speciális eszközöket gyártanak.

A dielektrikummal való fűtéshez szükséges generátor kiválasztása annak teljesítményének és frekvenciájának meghatározásához vezet.

A nagyfrekvenciás generátor Pg oszcillációs teljesítményének nagyobbnak kell lennie, mint az anyag hőkezeléséhez szükséges hőáram Ф a munkakondenzátorban és a közbenső oszcilláló körök blokkjában bekövetkező veszteségek értékével:

ahol ηk a munkakondenzátor hatásfoka, a hőátadó felület területétől, a hőátbocsátási tényezőtől, valamint az anyag és a közeg közötti hőmérséklet-különbségtől függően ηk = 0,8 ... 0,9, ηe a hőátadó felület elektromos hatásfoka az oszcilláló áramkör ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — hatásfok, figyelembe véve a nagyfrekvenciás összekötő vezetékek veszteségeit ηl = 0,9 … 0,95.

A generátor által a hálózatról fogyasztott teljesítmény:

Itt ηg a generátor hatásfoka ηg = 0,65 … 0,85.

A nagyfrekvenciás telepítés teljes hatékonyságát az összes egység hatásfokának szorzata határozza meg, és egyenlő 0,3 ... ... 0,5-tel.

Az ilyen alacsony hatásfok fontos tényező, amely megakadályozza a dielektromos fűtés széles körű alkalmazását a mezőgazdasági termelésben.

A nagyfrekvenciás berendezések energiateljesítménye javítható a generátor által leadott hő felhasználásával.

A dielektrikumok és félvezetők hevítésénél az áram frekvenciáját a szükséges F hőáram alapján választjuk ki. A mezőgazdasági termékek hőkezelésénél a fajlagos térfogatáramot a melegítés és a szárítás megengedett sebessége korlátozza. A munkakondenzátorban lévő erőegyensúlyból

ahol V a felmelegített anyag térfogata, m3.

Az a minimális gyakoriság, amelyen a technológiai folyamat adott sebességgel megy végbe:

ahol Emax az anyagban megengedett legnagyobb elektromos térerősség, V/m.

A frekvencia növekedésével az Em csökken, így a technológiai folyamat megbízhatósága nő. A frekvencia növelésének azonban vannak bizonyos korlátai. Nem praktikus a frekvencia növelése, ha a veszteségarány meredeken csökken. Emellett a frekvencia növekedésével egyre nehezebb a terhelés és a generátor paramétereinek összehangolása. Maximális frekvencia, Hz, amelyen ez a megállapodás érvényes:

ahol L és C a munkakondenzátorral ellátott terhelési áramkör induktivitásának és kapacitásának minimális lehetséges egyenértékű értékei.

A munkakondenzátor nagy lineáris méreteinél a frekvencia növekedése a feszültség egyenetlen eloszlásához vezethet az elektródán, és ezért egyenetlen melegítéshez vezethet. A maximálisan megengedhető frekvencia, Hz, ehhez az állapothoz

ahol l a munkakondenzátor legnagyobb lemezmérete, m.