Diëlektrische verwarming

Wat is diëlektrische verwarming

Diëlektrische verwarming verwijst naar de verwarming van diëlektrica en halfgeleiders in een wisselend elektrisch veld onder invloed waarvan het verwarmde materiaal wordt gepolariseerd. Polarisatie is een proces van verplaatsing van bijbehorende ladingen, wat leidt tot het optreden van een elektrisch moment bij elk macroscopisch volume-element.

Polarisatie is verdeeld in elastisch en relaxatie: elastisch (zonder traagheid) bepaalt de energie van het elektrische veld en relaxatie (traagheid) bepaalt de warmte die vrijkomt in het verwarmde materiaal. Bij relaxatiepolarisatie door een extern elektrisch veld wordt gewerkt aan het overwinnen van de krachten van de interne bindingen ("wrijving") van atomen, moleculen, geladen complexen. De helft van dit werk wordt omgezet in warmte.

Het vermogen dat vrijkomt in een diëlektricum wordt meestal aangeduid als een volume-eenheid en wordt berekend met de formule

waar γ de complexe geconjugeerde geleiding van het materiaal is, is EM de elektrische veldsterkte in het materiaal.

Complexe geleiding

Hier is εr de totale complexe diëlektrische constante.

Het reële deel van ε', de diëlektrische constante genoemd, beïnvloedt de hoeveelheid energie die in een materiaal kan worden opgeslagen. Het imaginaire deel van ε «, de verliesfactor genoemd, is een maat voor de energie (warmte) die in het materiaal wordt gedissipeerd.

De verliesfactor houdt rekening met de energie die in het materiaal wordt gedissipeerd als gevolg van zowel polarisatie als lekstromen.

In de praktijk gebruiken berekeningen een waarde die de verlieshoektangens wordt genoemd:

De tangens van de verlieshoek bepaalt de verhouding tussen de energie die wordt besteed aan verwarming en de opgeslagen energie van elektromagnetische oscillaties.

Gezien het bovenstaande, het volumetrische specifieke actieve vermogen, W / m3:

of

Het specifieke volumevermogen is dus evenredig met het kwadraat van de elektrische veldsterkte in het verwarmde materiaal, de frequentie en de verliesfactor.

De sterkte van het elektrische veld in het verwarmde materiaal hangt af van de aangelegde spanning, de diëlektrische constante ε', de locatie en vorm van de elektroden die het veld vormen. Voor enkele van de meest voorkomende gevallen in de praktijk, wordt de locatie van de elektroden, de sterkte van het elektrische veld berekend door de formules getoond in figuur 1.

Rijst. 1. Voor de berekening van de sterkte van het elektrische veld: a - cilindrische condensator, b - platte enkellaagse condensator, c, d - platte meerlaagse condensator met een rangschikking van materiaallagen, respectievelijk in dwarsrichting en langs het elektrische veld .

Opgemerkt moet worden dat de maximale limietwaarde van Em wordt beperkt door de elektrische sterkte van het verwarmde materiaal. De spanning mag niet hoger zijn dan de helft van de doorslagspanning.De capaciteit voor zaden van graan- en groentegewassen ligt in het bereik (5 ... 10) 103 V / m, voor hout - (5 ... 40) 103 V / m, polyvinylchloride - (1 ... 10) 105 V / m.

De verliescoëfficiënt ε « hangt af van de chemische samenstelling en structuur van het materiaal, de temperatuur en het vochtgehalte ervan, van de frequentie en sterkte van het elektrische veld in het materiaal.

Diëlektrische verwarmingseigenschappen van materialen

Diëlektrische verwarming wordt gebruikt in verschillende industrieën en landbouw.

De belangrijkste kenmerken van diëlektrische verwarming zijn als volgt.

1. Warmte komt vrij in het verwarmde materiaal zelf, wat het mogelijk maakt om de verwarming tientallen en honderden keren te versnellen (vergeleken met convectieve verwarming).Dit is vooral merkbaar bij materialen met een lage thermische geleidbaarheid (hout, graan, kunststoffen, enz. ).

2. Diëlektrische verwarming is selectief: het specifieke volumetrische vermogen en dienovereenkomstig is de temperatuur van elk onderdeel van een inhomogeen materiaal anders. Deze functie wordt gebruikt in de landbouw, bijvoorbeeld bij het ontsmetten van graan en het beitsen van zijderupsen,

3. Tijdens diëlektrische droging komt warmte vrij in het materiaal en daarom is de temperatuur in het midden hoger dan in de periferie. Vocht in het materiaal beweegt van nat naar droog en van warm naar koud. Dus tijdens convectief drogen is de temperatuur in het materiaal lager dan aan de rand, en de vochtstroom als gevolg van de temperatuurgradiënt voorkomt dat vocht naar het oppervlak beweegt. Dit vermindert de effectiviteit van convectiedrogen aanzienlijk. Bij diëlektrisch drogen vallen de vochtstromen als gevolg van het temperatuurverschil en het vochtgehalte samen.Dit is het belangrijkste voordeel van diëlektrisch drogen.

4. Bij verwarming en droging in een elektrisch veld met een hoge frequentie neemt de verliescoëfficiënt af en daarmee ook de kracht van de warmtestroom. Om het vermogen op het vereiste niveau te houden, moet u de frequentie of spanning wijzigen die aan de condensator wordt geleverd.

Diëlektrische verwarmingsinstallaties

De industrie produceert zowel gespecialiseerde hoogfrequentinstallaties bestemd voor de warmtebehandeling van één of meerdere soorten producten, als installaties voor algemeen gebruik. Ondanks deze verschillen hebben alle hoogfrequente installaties hetzelfde structuurschema (fig. 2).

Het materiaal wordt verwarmd in de werkcondensator van het hoogfrequente apparaat 1. De hoogfrequente spanning wordt geleverd aan de werkcondensator via het blok van tussenliggende oscillerende circuits 2, ontworpen voor vermogensregeling en generatorregeling 3. De lampgenerator converteert de gelijkspanning ontvangen van de halfgeleidergelijkrichter 4, in hoogfrequente wisselspanning. Tegelijkertijd wordt ten minste 20 ... 40% van alle energie die van de gelijkrichter wordt ontvangen, besteed aan de lampgenerator.

De meeste energie gaat verloren bij de anode van de lamp, die gekoeld moet worden met water. De anode van de lamp wordt gevoed ten opzichte van de aarde met 5 … 15 kV, daarom is het systeem van geïsoleerde toevoer van koelwater zeer complex. Transformator 5 is ontworpen om de netwerkspanning te verhogen tot 6 ... 10 kV en de geleidende verbinding tussen de generator en het elektrische netwerk los te koppelen. Blok 6 wordt gebruikt om de installatie in en uit te schakelen, achtereenvolgens technologische bewerkingen uit te voeren en te beschermen tegen noodmodi.

Diëlektrische verwarmingsinstallaties verschillen van elkaar in het vermogen en de frequentie van de generator, in de constructie van hulpapparatuur die is ontworpen voor het verplaatsen en vasthouden van het verwerkte materiaal, evenals voor mechanische impact erop.

Rijst. 2. Blokschema van de hoogfrequente installatie: 1 - hoogfrequent apparaat met een belastingscondensator, 2 - een blok tussenliggende oscillerende circuits met een vermogensregelaar, trimcapaciteiten en inductanties, 3 - lampgenerator met scheiding van anoden en netwerk circuits, 4 — halfgeleidergelijkrichter: 5 — step-up transformator, c — blok dat de installatie beschermt tegen abnormale bedrijfsmodi.

De industrie produceert een groot aantal hoogfrequente installaties voor verschillende doeleinden. Voor de warmtebehandeling van producten worden seriële hoogfrequente generatoren gebruikt, waarvoor gespecialiseerde apparaten worden vervaardigd.

Het kiezen van een generator voor verwarming met een diëlektricum komt neer op het bepalen van het vermogen en de frequentie.

Het oscillerende vermogen Pg van de hoogfrequente generator moet groter zijn dan de warmtestroom Ф die nodig is voor de warmtebehandeling van het materiaal door de waarde van de verliezen in de werkcondensator en het blok van de tussenliggende oscillerende circuits:

waarbij ηk de efficiëntie is van de werkende condensator, afhankelijk van het oppervlak van het warmteoverdrachtsoppervlak, de warmteoverdrachtscoëfficiënt en het temperatuurverschil tussen het materiaal en het medium ηk = 0,8 ... 0,9, ηe is de elektrische efficiëntie van het oscillerende circuit ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — efficiëntie, rekening houdend met verliezen in hoogfrequente verbindingsdraden ηl = 0,9 … 0,95.

Stroom verbruikt door de generator van het net:

Hierbij is ηg het generatorrendement ηg = 0,65 … 0,85.

Het totale rendement van een hoogfrequentinstallatie wordt bepaald door het product van het rendement van al haar eenheden en is gelijk aan 0,3 ... ... 0,5.

Een dergelijk laag rendement is een belangrijke factor die het wijdverbreide gebruik van diëlektrische verwarming in de landbouwproductie verhindert.

De energieprestatie van hoogfrequente installaties kan worden verbeterd door gebruik te maken van de warmte die door de generator wordt afgevoerd.

De frequentie van de stroom bij het verwarmen van diëlektrica en halfgeleiders wordt geselecteerd op basis van de vereiste warmtestroom F. Bij de warmtebehandeling van landbouwproducten wordt de specifieke volumestroom beperkt door de toegestane verwarmings- en droogsnelheid. Van de balans van krachten in de werkcondensator die we hebben

waarbij V het volume verwarmd materiaal is, m3.

De minimale frequentie waarmee het technologische proces met een bepaalde snelheid plaatsvindt:

waarbij Emax de maximaal toegestane elektrische veldsterkte in het materiaal is, V/m.

Naarmate de frequentie toeneemt, neemt Em af en daarmee neemt de betrouwbaarheid van het technologische proces toe. Er zijn echter enkele beperkingen aan het verhogen van de frequentie. Het is onpraktisch om de frequentie te verhogen als de verliesverhouding sterk daalt. Naarmate de frequentie toeneemt, wordt het ook steeds moeilijker om de parameters van de belasting en de generator op elkaar af te stemmen. Maximale frequentie, Hz, waarop deze overeenkomst wordt verstrekt:

waarbij L en C de minimaal mogelijke equivalente waarden zijn van inductantie en capaciteit van het belastingscircuit met een werkende condensator.

Met grote lineaire afmetingen van de werkcondensator kan een frequentieverhoging leiden tot een ongelijke spanningsverdeling op de elektrode en dus tot ongelijkmatige verwarming. De maximaal toegestane frequentie, Hz, voor deze aandoening

waarbij l de grootste plaatmaat is van de werkende condensator, m.