Riscaldamento dielettrico

Cos'è il riscaldamento dielettrico

Il riscaldamento dielettrico si riferisce al riscaldamento di dielettrici e semiconduttori in un campo elettrico alternato sotto l'influenza del quale il materiale riscaldato è polarizzato. La polarizzazione è un processo di spostamento delle cariche associate, che porta alla comparsa di un momento elettrico in ogni elemento di volume macroscopico.

La polarizzazione è divisa in elastico e rilassamento: l'elastico (senza inerzia) determina l'energia del campo elettrico e il rilassamento (inerziale) determina il calore rilasciato nel materiale riscaldato. Nella polarizzazione di rilassamento da parte di un campo elettrico esterno, si lavora per superare le forze dei legami interni ("attrito") di atomi, molecole, complessi carichi. La metà di questo lavoro viene convertita in calore.

La potenza rilasciata in un dielettrico è solitamente riferita a un'unità di volume e viene calcolata dalla formula

dove γ è la complessa conduttanza coniugata del materiale, EM è l'intensità del campo elettrico nel materiale.

Conduzione complessa

Qui, εr è la costante dielettrica complessa totale.

La parte reale di ε', chiamata costante dielettrica, influisce sulla quantità di energia che può essere immagazzinata in un materiale. La parte immaginaria di ε «, chiamata fattore di perdita, è una misura dell'energia (calore) dissipata nel materiale.

Il fattore di perdita tiene conto dell'energia dissipata nel materiale a causa sia della polarizzazione che delle correnti di dispersione.

In pratica, i calcoli utilizzano un valore chiamato tangente dell'angolo di perdita:

La tangente dell'angolo di perdita determina il rapporto tra l'energia spesa per il riscaldamento e l'energia immagazzinata delle oscillazioni elettromagnetiche.

Considerato quanto sopra, la potenza attiva specifica volumetrica, W/m3:

O

Pertanto, la potenza volumetrica specifica è proporzionale al quadrato dell'intensità del campo elettrico nel materiale riscaldato, alla frequenza e al fattore di perdita.

L'intensità del campo elettrico nel materiale riscaldato dipende dalla tensione applicata, dalla costante dielettrica ε', dalla posizione e dalla forma degli elettrodi che formano il campo. Per alcuni dei casi più comuni nella pratica, la posizione degli elettrodi, l'intensità del campo elettrico è calcolata dalle formule mostrate nella Figura 1.

Riso. 1. Per il calcolo dell'intensità del campo elettrico: a - condensatore cilindrico, b - condensatore piatto a strato singolo, c, d - condensatore piatto multistrato con una disposizione di strati di materiali, rispettivamente, trasversalmente e lungo il campo elettrico .

Va notato che il valore massimo limite di Em è limitato dalla rigidità elettrica del materiale riscaldato. La tensione non deve superare la metà della tensione di rottura.La capacità per semi di cereali e colture orticole è compresa nell'intervallo (5 … 10) 103 V / m, per legno — (5 … 40) 103 V / m, cloruro di polivinile — (1 … 10 ) 105 V / m.

Il coefficiente di perdita ε « dipende dalla composizione chimica e dalla struttura del materiale, dalla sua temperatura e dal contenuto di umidità, dalla frequenza e dall'intensità del campo elettrico nel materiale.

Caratteristiche di riscaldamento dielettrico dei materiali

Il riscaldamento dielettrico è utilizzato in varie industrie e agricoltura.

Le principali caratteristiche del riscaldamento dielettrico sono le seguenti.

1. Il calore viene rilasciato nel materiale riscaldato stesso, il che consente di accelerare il riscaldamento di decine e centinaia di volte (rispetto al riscaldamento convettivo), particolarmente evidente per i materiali a bassa conduttività termica (legno, grano, plastica, ecc.). ).

2. Il riscaldamento dielettrico è selettivo: la potenza volumetrica specifica e, di conseguenza, la temperatura di ciascun componente di un materiale disomogeneo è diversa. Questa funzione viene utilizzata in agricoltura, ad esempio nella disinfezione del grano e nella salatura dei bachi da seta,

3. Durante l'essiccazione dielettrica, il calore viene rilasciato all'interno del materiale e quindi la temperatura al centro è più alta che alla periferia. L'umidità all'interno del materiale si sposta da umido a secco e da caldo a freddo. Pertanto, durante l'essiccazione convettiva, la temperatura all'interno del materiale è inferiore rispetto alla periferia e il flusso di umidità dovuto al gradiente di temperatura impedisce all'umidità di spostarsi in superficie. Ciò riduce notevolmente l'efficacia dell'essiccazione convettiva. Nell'essiccazione dielettrica, i flussi di umidità dovuti alla differenza di temperatura e il contenuto di umidità coincidono.Questo è il vantaggio principale dell'essiccazione dielettrica.

4. Quando si riscalda e si asciuga in un campo elettrico ad alta frequenza, il coefficiente di perdita diminuisce e, di conseguenza, la potenza del flusso di calore diminuisce. Per mantenere la potenza al livello richiesto, è necessario modificare la frequenza o la tensione fornita al condensatore.

Impianti di riscaldamento dielettrico

L'industria produce sia impianti specializzati ad alta frequenza destinati al trattamento termico di uno o più tipi di prodotti, sia impianti per uso generale. Nonostante queste differenze, tutte le installazioni ad alta frequenza hanno lo stesso schema strutturale (Fig. 2).

Il materiale viene riscaldato nel condensatore di lavoro del dispositivo ad alta frequenza 1. La tensione ad alta frequenza viene fornita al condensatore di lavoro attraverso il blocco di circuiti oscillanti intermedi 2, progettati per la regolazione della potenza e la regolazione del generatore 3. Il generatore della lampada converte il tensione continua ricevuta dal raddrizzatore a semiconduttore 4, in tensione alternata ad alta frequenza. Allo stesso tempo, almeno il 20 ... 40% di tutta l'energia ricevuta dal raddrizzatore viene spesa nel generatore della lampada.

La maggior parte dell'energia viene persa all'anodo della lampada, che deve essere raffreddata dall'acqua. L'anodo della lampada è alimentato rispetto alla terra 5 … 15 kV, quindi il sistema di alimentazione isolata dell'acqua di raffreddamento è molto complesso. Il trasformatore 5 è progettato per aumentare la tensione di rete a 6 ... 10 kV e scollegare la connessione conduttiva tra il generatore e la rete elettrica. Il blocco 6 viene utilizzato per accendere e spegnere l'installazione, eseguire in sequenza operazioni tecnologiche e proteggere dalle modalità di emergenza.

Gli impianti di riscaldamento dielettrico differiscono l'uno dall'altro nella potenza e frequenza del generatore, nella costruzione di apparecchiature ausiliarie progettate per spostare e trattenere il materiale lavorato, nonché per l'impatto meccanico su di esso.

Riso. 2. Schema a blocchi dell'installazione ad alta frequenza: 1 - dispositivo ad alta frequenza con condensatore di carico, 2 - un blocco di circuiti oscillanti intermedi con regolatore di potenza, capacità e induttanze di regolazione, 3 - generatore di lampade con separazione di anodi e rete circuiti, 4 - raddrizzatore a semiconduttore : 5 - trasformatore elevatore, c - blocco che protegge l'installazione da modalità operative anomale.

L'industria produce un gran numero di installazioni ad alta frequenza per vari scopi. Per il trattamento termico dei prodotti vengono utilizzati generatori seriali ad alta frequenza, per i quali vengono prodotti dispositivi specializzati.

La scelta di un generatore per il riscaldamento con un dielettrico si riduce alla determinazione della sua potenza e frequenza.

La potenza oscillante Pg del generatore ad alta frequenza deve essere maggiore del flusso di calore Ф necessario per il trattamento termico del materiale per il valore delle perdite nel condensatore di lavoro e il blocco dei circuiti oscillanti intermedi:

dove ηk è l'efficienza del condensatore di lavoro, a seconda dell'area della superficie di scambio termico, del coefficiente di scambio termico e della differenza di temperatura tra il materiale e il mezzo ηk = 0,8 ... 0,9, ηe è l'efficienza elettrica di il circuito oscillante ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl - efficienza, tenendo conto delle perdite nei cavi di collegamento ad alta frequenza ηl = 0,9 ... 0,95.

Potenza consumata dal generatore dalla rete:

Qui ηg è l'efficienza del generatore ηg = 0,65 … 0,85.

L'efficienza totale di un impianto ad alta frequenza è determinata dal prodotto dell'efficienza di tutte le sue unità ed è pari a 0,3 ... ... 0,5.

Tale bassa efficienza è un fattore importante che impedisce l'uso diffuso del riscaldamento dielettrico nella produzione agricola.

Le prestazioni energetiche degli impianti ad alta frequenza possono essere migliorate utilizzando il calore dissipato dal generatore.

La frequenza della corrente durante il riscaldamento di dielettrici e semiconduttori viene selezionata in base al flusso di calore richiesto F. Nel trattamento termico dei prodotti agricoli, il flusso di volume specifico è limitato dalla velocità consentita di riscaldamento ed essiccazione. Dall'equilibrio delle forze nel condensatore di lavoro che abbiamo

dove V è il volume del materiale riscaldato, m3.

La frequenza minima alla quale il processo tecnologico avviene a una data velocità:

dove Emax è la massima intensità di campo elettrico consentita nel materiale, V / m.

All'aumentare della frequenza, Em diminuisce e quindi aumenta l'affidabilità del processo tecnologico. Tuttavia, ci sono alcune limitazioni all'aumento della frequenza. Non è pratico aumentare la frequenza se il rapporto sinistri diminuisce bruscamente. Inoltre, all'aumentare della frequenza, diventa sempre più difficile far corrispondere i parametri del carico e del generatore. Frequenza massima, Hz, alla quale viene fornito questo accordo:

dove L e C sono i valori equivalenti minimi possibili di induttanza e capacità del circuito di carico con un condensatore funzionante.

Con grandi dimensioni lineari del condensatore di lavoro, un aumento della frequenza può portare a una distribuzione non uniforme della tensione sull'elettrodo e, quindi, a un riscaldamento non uniforme. La frequenza massima consentita, Hz, per questa condizione

dove l è la dimensione della piastra più grande del condensatore funzionante, m.