Calefacció dielèctrica
Què és la calefacció dielèctrica
L'escalfament dielèctric es refereix a l'escalfament de dielèctrics i semiconductors en un camp elèctric altern sota la influència del qual es polaritza el material escalfat. La polarització és un procés de desplaçament de càrregues associades, que condueix a l'aparició d'un moment elèctric en cada element de volum macroscòpic.
La polarització es divideix en elàstica i relaxació: elàstica (sense inèrcia) determina l'energia del camp elèctric, i la relaxació (inercial) determina la calor alliberada en el material escalfat. En la polarització de relaxació per un camp elèctric extern, es treballa per superar les forces dels enllaços interns ("fricció") d'àtoms, molècules, complexos carregats. La meitat d'aquest treball es converteix en calor.
La potència alliberada en un dielèctric es refereix normalment a una unitat de volum i es calcula mitjançant la fórmula
on γ és la conductància conjugada complexa del material, EM és la intensitat del camp elèctric del material.
Conducció complexa
Aquí, εr és la constant dielèctrica complexa total.
La part real de ε', anomenada constant dielèctrica, afecta la quantitat d'energia que es pot emmagatzemar en un material. La part imaginària de ε «, anomenada factor de pèrdua, és una mesura de l'energia (calor) dissipada en el material.
El factor de pèrdua té en compte l'energia dissipada en el material tant per polarització com per corrents de fuga.
A la pràctica, els càlculs utilitzen un valor anomenat tangent de l'angle de pèrdua:
La tangent de l'angle de pèrdua determina la relació entre l'energia gastada en escalfar i l'energia emmagatzemada de les oscil·lacions electromagnètiques.
Tenint en compte l'anterior, la potència activa específica volumètrica, W / m3:
o
Així, la potència de volum específica és proporcional al quadrat de la intensitat del camp elèctric en el material escalfat, la freqüència i el factor de pèrdua.
La força del camp elèctric en el material escalfat depèn de la tensió aplicada, la constant dielèctrica ε', la ubicació i la forma dels elèctrodes que formen el camp. Per a alguns dels casos més comuns a la pràctica, la ubicació dels elèctrodes, la força del camp elèctric es calcula mitjançant les fórmules que es mostren a la figura 1.
Arròs. 1. Per al càlcul de la força del camp elèctric: a - condensador cilíndric, b - condensador pla d'una sola capa, c, d - condensador pla multicapa amb una disposició de capes de materials, respectivament, en transversal i al llarg del camp elèctric .
Cal tenir en compte que el valor màxim límit d'Em està limitat per la força elèctrica del material escalfat. La tensió no ha de superar la meitat de la tensió de ruptura.La capacitat per a llavors de cereals i hortalisses es pren en el rang (5 ... 10) 103 V / m, per a la fusta - (5 ... 40) 103 V / m, clorur de polivinil - (1 ... 10 ) 105 V / m.
El coeficient de pèrdua ε « depèn de la composició química i l'estructura del material, la seva temperatura i contingut d'humitat, de la freqüència i la força del camp elèctric en el material.
Característiques d'escalfament dielèctric dels materials
La calefacció dielèctrica s'utilitza en diverses indústries i agricultura.
Les característiques principals de l'escalfament dielèctric són les següents.
1. La calor s'allibera en el propi material escalfat, la qual cosa permet accelerar l'escalfament desenes i centenars de vegades (en comparació amb l'escalfament convectiu) Això es nota especialment en materials amb baixa conductivitat tèrmica (fusta, gra, plàstics, etc.). ).
2. L'escalfament dielèctric és selectiu: la potència volumètrica específica i, en conseqüència, la temperatura de cada component d'un material no homogeni és diferent. Aquesta funció s'utilitza en l'agricultura, per exemple en la desinfecció de gra i en escabetx de cucs de seda,
3. Durant l'assecat dielèctric s'allibera calor a l'interior del material i per tant la temperatura al centre és més alta que a la perifèria. La humitat dins del material es mou de humit a sec i de calent a fred. Així, durant l'assecat per convecció, la temperatura a l'interior del material és més baixa que a la perifèria i el flux d'humitat a causa del gradient de temperatura impedeix que la humitat es mogui a la superfície. Això redueix molt l'eficàcia de l'assecat per convecció. En l'assecatge dielèctric, els fluxos d'humitat a causa de la diferència de temperatura i el contingut d'humitat coincideixen.Aquest és el principal avantatge de l'assecat dielèctric.
4. En escalfar i assecar en un camp elèctric d'alta freqüència, el coeficient de pèrdua disminueix i, en conseqüència, la potència del flux de calor. Per mantenir la potència al nivell requerit, cal canviar la freqüència o la tensió subministrada al condensador.
Instal·lacions de calefacció dielèctrica
La indústria produeix tant instal·lacions especialitzades d'alta freqüència destinades al tractament tèrmic d'un o diversos tipus de productes, com instal·lacions d'ús general. Malgrat aquestes diferències, totes les instal·lacions d'alta freqüència tenen el mateix esquema estructural (Fig. 2).
El material s'escalfa al condensador de treball del dispositiu d'alta freqüència 1. La tensió d'alta freqüència es subministra al condensador de treball mitjançant el bloc de circuits oscil·lants intermedis 2, dissenyat per a la regulació de potència i la regulació del generador 3. El generador de llum converteix el tensió continua rebuda del rectificador semiconductor 4, en voltatge alterna d'alta freqüència. Al mateix temps, almenys el 20 ... 40% de tota l'energia rebuda del rectificador es gasta al generador de llum.
La major part de l'energia es perd a l'ànode de la làmpada, que s'ha de refredar amb aigua. L'ànode de la làmpada es subministra respecte a terra 5 … 15 kV, per tant el sistema de subministrament aïllat d'aigua de refrigeració és molt complex. El transformador 5 està dissenyat per augmentar la tensió de la xarxa a 6 ... 10 kV i desconnectar la connexió conductora entre el generador i la xarxa elèctrica. El bloc 6 s'utilitza per encendre i apagar la instal·lació, realitzar operacions tecnològiques de manera seqüencial i protegir contra els modes d'emergència.
Les instal·lacions de calefacció dielèctrica es diferencien entre si en la potència i la freqüència del generador, en la construcció d'equips auxiliars dissenyats per moure i subjectar el material processat, així com per l'impacte mecànic sobre ell.
Arròs. 2. Esquema de blocs de la instal·lació d'alta freqüència: 1 — dispositiu d'alta freqüència amb un condensador de càrrega, 2 — un bloc de circuits oscil·lants intermedis amb un regulador de potència, capacitats i inductàncies de tall, 3 — generador de làmpades amb separació d'ànodes i xarxa circuits, 4 — rectificador de semiconductors : 5 — transformador augmentador, c — bloc que protegeix la instal·lació de modes de funcionament anormals.
La indústria produeix un gran nombre d'instal·lacions d'alta freqüència amb diversos propòsits. Per al tractament tèrmic dels productes, s'utilitzen generadors d'alta freqüència en sèrie, per als quals es fabriquen dispositius especialitzats.
Escollir un generador per escalfar amb un dielèctric es limita a determinar la seva potència i freqüència.
La potència oscil·lant Pg del generador d'alta freqüència ha de ser superior al flux de calor Ф necessari per al tractament tèrmic del material pel valor de les pèrdues en el condensador de treball i el bloc dels circuits oscil·lants intermedis:
on ηk és l'eficiència del condensador de treball, depenent de l'àrea de la superfície de transferència de calor, el coeficient de transferència de calor i la diferència de temperatura entre el material i el medi ηk = 0,8 ... 0,9, ηe és l'eficiència elèctrica de el circuit oscil·lant ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — eficiència, tenint en compte les pèrdues en els cables de connexió d'alta freqüència ηl = 0,9 … 0,95.
Potència consumida pel generador de la xarxa:
Aquí ηg és l'eficiència del generador ηg = 0,65 … 0,85.
L'eficiència total d'una instal·lació d'alta freqüència ve determinada pel producte de l'eficiència de totes les seves unitats i és igual a 0,3 ... ... 0,5.
Aquesta baixa eficiència és un factor important que impedeix l'ús generalitzat de la calefacció dielèctrica en la producció agrícola.
El rendiment energètic de les instal·lacions d'alta freqüència es pot millorar utilitzant la calor dissipada pel generador.
La freqüència del corrent en escalfar dielèctrics i semiconductors es selecciona en funció del flux de calor requerit F. En el tractament tèrmic de productes agrícoles, el cabal de volum específic està limitat per la velocitat admissible d'escalfament i assecat. Del balanç de forces en el condensador de treball tenim
on V és el volum de material escalfat, m3.
La freqüència mínima a la qual el procés tecnològic té lloc a una velocitat determinada:
on Emax és la força de camp elèctric màxima admissible en el material, V/m.
A mesura que augmenta la freqüència, Em disminueix i, per tant, augmenta la fiabilitat del procés tecnològic. Tanmateix, hi ha algunes limitacions per augmentar la freqüència. No és pràctic augmentar la freqüència si la relació de pèrdues cau bruscament. A més, a mesura que augmenta la freqüència, cada cop és més difícil fer coincidir els paràmetres de la càrrega i el generador. Freqüència màxima, Hz, a la qual es proporciona aquest acord:
on L i C són els valors equivalents mínims possibles d'inductància i capacitat del circuit de càrrega amb un condensador de treball.
Amb grans dimensions lineals del condensador de treball, un augment de la freqüència pot provocar una distribució desigual de la tensió a l'elèctrode i, per tant, un escalfament desigual. La freqüència màxima permesa, Hz, per a aquesta condició
on l és la mida de placa més gran del condensador de treball, m.