Dielektrické vytápění

Co je dielektrické vytápění

Dielektrickým ohřevem se rozumí ohřev dielektrik a polovodičů ve střídavém elektrickém poli, pod jehož vlivem se ohřívaný materiál polarizuje. Polarizace je proces přemístění souvisejících nábojů, který vede ke vzniku elektrického momentu na každém makroskopickém objemovém prvku.

Polarizace se dělí na elastickou a relaxační: elastická (bez setrvačnosti) určuje energii elektrického pole a relaxace (inerciální) určuje teplo uvolněné v ohřívaném materiálu. Při relaxační polarizaci vnějším elektrickým polem se pracuje na překonání sil vnitřních vazeb („tření“) atomů, molekul, nabitých komplexů. Polovina této práce se přemění na teplo.

Výkon uvolněný v dielektriku se obvykle odkazuje na jednotku objemu a vypočítá se podle vzorce

kde γ je komplexně konjugovaná vodivost materiálu, EM je síla elektrického pole v materiálu.

Komplexní vedení

Zde je εr celková komplexní dielektrická konstanta.

Skutečná část ε', nazývaná dielektrická konstanta, ovlivňuje množství energie, kterou lze v materiálu uložit. Imaginární část ε «, nazývaná ztrátový faktor, je mírou energie (tepla) rozptýlené v materiálu.

Ztrátový činitel zohledňuje energii rozptýlenou v materiálu v důsledku polarizace i svodových proudů.

V praxi výpočty používají hodnotu nazývanou tangens úhlu ztráty:

Tangenta ztrátového úhlu určuje poměr energie vynaložené na ohřev k akumulované energii elektromagnetických kmitů.

Vzhledem k výše uvedenému objemový specifický činný výkon, W / m3:

nebo

Měrný objemový výkon je tedy úměrný druhé mocnině intenzity elektrického pole v ohřívaném materiálu, frekvenci a ztrátovému faktoru.

Síla elektrického pole v ohřívaném materiálu závisí na použitém napětí, dielektrické konstantě ε ', umístění a tvaru elektrod, které pole tvoří. Pro některé z nejběžnějších případů v praxi, umístění elektrod, síla elektrického pole se vypočítá podle vzorců znázorněných na obrázku 1.

Rýže. 1. K výpočtu síly elektrického pole: a — válcový kondenzátor, b — plochý jednovrstvý kondenzátor, c, d — plochý vícevrstvý kondenzátor s uspořádáním vrstev materiálů, příčně a podél elektrického pole .

Je třeba poznamenat, že mezní maximální hodnota Em je omezena elektrickou pevností ohřívaného materiálu. Napětí by nemělo překročit polovinu průrazného napětí.Kapacita pro semena obilnin a zeleninových plodin se bere v rozmezí (5 … 10) 103 V / m, pro dřevo — (5 … 40) 103 V / m, polyvinylchlorid — (1 … 10 ) 105 V / m.

Ztrátový koeficient ε « závisí na chemickém složení a struktuře materiálu, jeho teplotě a obsahu vlhkosti, na frekvenci a síle elektrického pole v materiálu.

Dielektrické tepelné charakteristiky materiálů

Dielektrický ohřev se používá v různých průmyslových odvětvích a zemědělství.

Hlavní charakteristiky dielektrického ohřevu jsou následující.

1. V samotném ohřívaném materiálu se uvolňuje teplo, což umožňuje desetinásobné a stonásobné urychlení ohřevu (ve srovnání s konvekčním ohřevem), což je patrné zejména u materiálů s nízkou tepelnou vodivostí (dřevo, obilí, plasty atd.). ).

2. Dielektrický ohřev je selektivní: měrný objemový výkon a podle toho i teplota každé složky nehomogenního materiálu je různá. Tato funkce se používá v zemědělství, například při dezinfekci obilí a moření bource morušového,

3. Při dielektrickém sušení se uvnitř materiálu uvolňuje teplo a proto je teplota ve středu vyšší než na periferii. Vlhkost uvnitř materiálu se pohybuje z mokrého do suchého a z horkého do studeného. Takže při konvekčním sušení je teplota uvnitř materiálu nižší než na periferii a proudění vlhkosti v důsledku teplotního gradientu zabraňuje pohybu vlhkosti na povrch. To značně snižuje účinnost konvekčního sušení. Při dielektrickém sušení se toky vlhkosti v důsledku teplotního rozdílu a obsahu vlhkosti shodují.To je hlavní výhoda dielektrického sušení.

4. Při ohřevu a sušení v elektrickém poli s vysokou frekvencí klesá ztrátový koeficient a tím i výkon tepelného toku. Chcete-li udržet výkon na požadované úrovni, musíte změnit frekvenci nebo napětí dodávané do kondenzátoru.

Dielektrická topná zařízení

Průmysl vyrábí jak specializovaná vysokofrekvenční zařízení určená pro tepelné zpracování jednoho nebo více druhů výrobků, tak zařízení pro všeobecné použití. Přes tyto rozdíly mají všechny vysokofrekvenční instalace stejné konstrukční schéma (obr. 2).

Materiál je ohříván v pracovním kondenzátoru vysokofrekvenčního zařízení 1. Vysokofrekvenční napětí je přiváděno do pracovního kondenzátoru přes blok mezilehlých oscilačních obvodů 2, určených pro regulaci výkonu a regulaci generátoru 3. Generátor lampy převádí stejnosměrné napětí přijímané z polovodičového usměrňovače 4 ve vysokofrekvenčním střídavém napětí. Současně se nejméně 20 ... 40% veškeré energie přijaté z usměrňovače spotřebuje v generátoru lampy.

Většina energie se ztrácí na anodě výbojky, která musí být chlazena vodou. Anoda svítidla je napájena vzhledem k zemi 5 … 15 kV, proto je systém izolovaného přívodu chladicí vody velmi složitý. Transformátor 5 je navržen tak, aby zvýšil síťové napětí na 6 ... 10 kV a odpojil vodivé spojení mezi generátorem a elektrickou sítí. Blok 6 slouží k zapínání a vypínání instalace, postupnému provádění technologických operací a ochraně před nouzovými režimy.

Dielektrická topná zařízení se od sebe liší výkonem a frekvencí generátoru, konstrukcí pomocných zařízení určených pro pohyb a držení zpracovávaného materiálu, jakož i pro mechanické působení na něj.

Rýže. 2. Blokové schéma vysokofrekvenční instalace: 1 — vysokofrekvenční zařízení se zatěžovacím kondenzátorem, 2 — blok mezioscilačních obvodů s regulátorem výkonu, trimovacími kapacitami a indukčnostmi, 3 — lampový generátor s oddělením anod a sítě obvody, 4 — polovodičový usměrňovač: 5 — zvyšovací transformátor, c — blok chránící instalaci před abnormálními provozními režimy.

Průmysl vyrábí velké množství vysokofrekvenčních instalací pro různé účely. Pro tepelné zpracování výrobků se používají sériové vysokofrekvenční generátory, pro které se vyrábí specializovaná zařízení.

Výběr generátoru pro vytápění dielektrikem spočívá v určení jeho výkonu a frekvence.

Oscilační výkon Pg vysokofrekvenčního generátoru musí být větší než tepelný tok Ф nutný pro tepelné zpracování materiálu o hodnotu ztrát v pracovním kondenzátoru a bloku mezioscilačních obvodů:

kde ηk je účinnost pracovního kondenzátoru v závislosti na ploše teplosměnné plochy, součiniteli prostupu tepla a rozdílu teplot mezi materiálem a médiem ηk = 0,8 ... 0,9, ηe je elektrická účinnost oscilační obvod ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — účinnost při zohlednění ztrát ve vysokofrekvenčních spojovacích vodičích ηl = 0,9 … 0,95.

Výkon spotřebovaný generátorem ze sítě:

Zde ηg je účinnost generátoru ηg = 0,65 … 0,85.

Celková účinnost vysokofrekvenční instalace je určena součinem účinnosti všech jejích jednotek a je rovna 0,3 ... ... 0,5.

Takto nízká účinnost je důležitým faktorem, který brání širokému použití dielektrického ohřevu v zemědělské výrobě.

Energetický výkon vysokofrekvenčních instalací lze zlepšit využitím tepla rozptýleného generátorem.

Frekvence proudu při ohřevu dielektrik a polovodičů se volí na základě požadovaného tepelného toku F. Při tepelném zpracování zemědělských produktů je měrný objemový průtok omezen přípustnou rychlostí ohřevu a sušení. Z rovnováhy sil v pracovním kondenzátoru máme

kde V je objem ohřátého materiálu, m3.

Minimální frekvence, se kterou technologický proces probíhá při dané rychlosti:

kde Emax je maximální přípustná intenzita elektrického pole v materiálu, V/m.

S rostoucí frekvencí Em klesá a proto se zvyšuje spolehlivost technologického procesu. Zvyšování frekvence má však určitá omezení. Je nepraktické zvyšovat frekvenci, pokud ztrátový poměr prudce klesá. S rostoucí frekvencí je také stále obtížnější sladit parametry zátěže a generátoru. Maximální frekvence, Hz, při které je tato dohoda poskytována:

kde L a C jsou minimální možné ekvivalentní hodnoty indukčnosti a kapacity zátěžového obvodu s pracovním kondenzátorem.

Při velkých lineárních rozměrech pracovního kondenzátoru může zvýšení frekvence vést k nerovnoměrnému rozložení napětí na elektrodě a tím k nerovnoměrnému ohřevu. Maximální povolená frekvence, Hz, pro tuto podmínku

kde l je největší velikost desky pracovního kondenzátoru, m.