Что такое диэлектрический нагрев
Под диэлектрическим нагревом понимается нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого нагреваемый материал поляризуется. Поляризация — это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.
Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая (безынерционная) обусловливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная)—теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей («трения») атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.
Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, обычно относят к единице объема и вычисляют по формуле
где γ — комплексно-сопряженная проводимость материала, ЕM — напряженность электрического поля в материале.
Комплексная проводимость
Здесь εr — полная комплексная диэлектрическая проницаемость.
Действительная часть ε', называемая диэлектрической проницаемостью, влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале. Мнимая часть ε", называемая фактором потерь, является мерой энергии (теплоты), рассеиваемой в материале.
Фактор потерь учитывает энергию, выделяющуюся в материале как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости.
В практике расчетов используют величину, называемую тангенсом угла потерь:
Тангенс угла потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.
С учетом изложенного объемная удельная активная мощность, Вт/м3:
или
Таким образом, удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в нагреваемом материале, частоте и фактору потерь.
Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости ε', расположения и формы электродов, образующих поле. Для некоторых наиболее часто встречающихся в практике случаев расположения электродов напряженность электрического поля рассчитывают по формулам, приведенным на рисунке 1.
Рис. 1. К расчету напряженности электрического поля: а — цилиндрический конденсатор, б — плоский однослойный конденсатор, в, г — плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала соответственно поперек и вдоль электрического поля.
Следует отметить, что предельное максимальное значение Ем ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Ем для семян зерновых и овощных культур принимается в пределах (5... 10) 103 В/м, для дерева—(5...40) 103 В/м, поливинил-хлорида — (1...10) 105 В/м.
Фактор потерь ε" зависит от химического состава и структуры материала, его температуры и влагосодержания, от частоты и напряженности электрического поля в материале.
Особенности диэлектрического нагрева материалов
Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем.
1. Теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в десятки и сотни раз ускорить нагрев (по сравнению с конвективным). Это особенно заметно для материалов с малой теплопроводностью (дерева, зерна, пластмасс и др.).
2. Диэлектрический нагрев селективен: удельная объемная мощность, а следовательно, и температура каждого компонента неоднородного материала различна. Эту особенность в сельском хозяйстве используют, например, при дезинсекции зерна и замаривании шелкопряда,
3. При диэлектрической сушке теплота выделяется внутри материала, а следовательно, температура в центре выше, чем на периферии. Влага внутри материала перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. Так, при конвективной сушке температура внутри материала ниже, чем на периферии, и поток влаги, обусловленный температурным градиентом, препятствует перемещению влаги к поверхности. Это значительно снижает к. п. д. конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это — главное достоинство сушки с диэлектрическим нагревом.
4. При нагреве и сушке в электрическом поле высокой частоты уменьшается фактор потерь, а следовательно, и мощность теплового потока. Чтобы поддержать мощность на необходимом уровне, следует изменять частоту или напряжение, подводимое к конденсатору.
Установки для диэлектрического нагрева
Промышленность выпускает как специализированные высокочастотные установки, предназначенные для термообработки одного или нескольких видов изделий, так и установки общего применения. Несмотря на эти различия, все высокочастотные установки имеют одинаковую структурную схему (рис. 2).
Материал нагревают в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемое от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20...40 % всей энергии, получаемой от выпрямителя.
Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5...15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6... 10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов.
Установки диэлектрического нагрева отличаются одна от другой мощностью и частотой генератора, конструкцией вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и удержания обрабатываемого материала, а также для механического воздействия на него.
Рис. 2. Структурная схема высокочастотной установки: 1 — высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором, 2 — блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями, 3 — ламповый генератор с анодно-разделительными и сеточными цепями, 4 — полупроводниковый выпрямитель: 5 — повышающий трансформатор, в — блок защиты установки от ненормальных режимов работы.
Промышленность выпускает большое число высокочастотных установок различного назначения. Для термообработки продукции используют серийные высокочастотные генераторы, к которым изготавливают специализированные приспособления.
Выбор генератора для диэлектрического нагрева сводится к определению его мощности и частоты.
Колебательная мощность Рг высокочастотного генератора должна быть больше теплового потока Ф, необходимого для термической обработки материала, на значение потерь в рабочем конденсаторе и блоке промежуточных колебательных контуров:
где ηк — к. п. д. рабочего конденсатора, зависящий от площади теплоотдающей поверхности, коэффициента теплоотдачи и разности температур между материалом и средой ηк =0,8...0,9, ηэ — электрический к. п. д. колебательного контура ηэ = 0,65...0,7, ηл — к. п. д., учитывающий потери в высокочастотных соединительных проводах ηл = 0,9...0,95.
Мощность, потребляемая генератором из сети:
Здесь ηг — к. п. д. генератора ηг = 0,65...0,85.
Общий к. п. д. высокочастотной установки определяется произведением к. п. д. всех ее блоков и равен 0,3... ...0,5.
Столь малый к. п. д. — существенный фактор, сдерживающий широкое применение диэлектрического нагрева в сельскохозяйственном производстве.
Улучшить энергетические показатели высокочастотных установок можно, используя теплоту, рассеиваемую генератором.
Частоту тока при нагреве диэлектриков и полупроводников выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке сельскохозяйственных продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем
где V — объем нагреваемого материала, м3.
Минимальная частота, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью:
где Emах — максимально допустимая напряженность электрического поля в материале, В/м.
При увеличении частоты уменьшается Ем, а следовательно, и увеличивается надежность технологического процесса. Вместе с тем существуют некоторые ограничения на увеличение частоты. Повышать частоту нецелесообразно, если при этом фактор потерь резко уменьшается. Кроме того, с повышением частоты усложняется согласование параметров нагрузки и генератора. Максимальная частота, Гц, при которой это согласование обеспечивается:
где L и С—минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и емкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.
При больших линейных размерах рабочего конденсатора повышение частоты может привести к неравномерному распределению напряжения вдоль электрода, а следовательно, и неравномерному нагреву. Максимально допустимая частота, Гц, по этому условию
где l— наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.