Диэлектрический нагрев
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.
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:
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.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Что такое диэлектрик
Очень многие школьники и студенты не любят физику из-за большого количества заумных слов и странных формул. Одной из таких загадочный тем становятся диэлектрика. Что это, где она применяется и зачем вообще нужна? Дети никак не могут понять, а учителя нормально не объясняют важную информацию. Именно поэтому сегодня я, учитель физики, хочу помочь студентам и школьникам в изучении диэлектрики.
Диэлектрики или изоляторы – это вещества, которые немного или вообще не проводят ток. К ним можно отнести все неприводимое: воздух, газы, древесину, стекло, пластмассу и многое другое. Они применяются во многих технологиях и машинах, позволяют ограничить распространение тока.
Возьмем, например, пластик. Если мы поместим небольшой кусок в электризованную среду, то заметим необычное явление: он начнет притягиваться к положительным или отрицательным зарядам. Но как только мы выключим поле, все прекратится. Пластик перестанет притягиваться и останется на месте.
Собственно, этот эксперимент и показывает, что изоляторы не могут переводить ток, а являются для него некой преградой, которая мешает ему, распространится дальше. И если даже электричество проходит, то в минимальных, безвредных количествах.
Иногда происходит очень сильная путаница со свойствами диэлектриков. Многие дают им бесполезные и невозможные функции, которые никогда не встречались у этих материалов, или, наоборот, – убирают. Сейчас я кратко и быстро расскажу вам о всех свойствах диэлектриков.
Свойства диэлектриков
Водонепроницаемость
Твердые диэлектрики могут мешать проникновению влаги внутрь. Благодаря этому свойству их часто используют для уличного оборудования. Причем это относится не только к воде, но и прочим жидкостям, например, напиткам, сокам, молоку и так далее.
Теплозащита
Диэлектрики отлично переносят сильные температуры. Например, не зря их использую в космосе, где полоска термометра бывает ниже -90°C. Именно поэтому диэлектрики – отличный помощник в сильные морозы и жаркие дни.
Сдерживаемость радиации
Диэлектрики не пропускают радиацию, щелочи и кислотные вещества. Это очень важно, при возникновении утечки на станциях и заводах, где есть опасные химические элементы. Изоляторы, без какого-либо преувеличения, могут спасти тысячи людей от смерти.
Поляризация
Удивительное свойство, которое присутствует исключительно у диэлектриков. Благодаря ему неприводимые материалы могут притягиваться к проводимым и тем самым создавать целую цепь. Это свойство используется повсеместно, почти во всех технологиях и машинах.
Ослабление внешнего поля
Диэлектрики помогают сделать внешнее давление более слабым и тем самым безопасным. Они контролируют поле и помогают его использовать в различных целях. Очень важное свойство, позволяющее сделать работу более безопасной.
Виды диэлектриков
У многих школьников или студентом возникает сильная путаница с классификацией диэлектриков. Они просто не понимают, какие есть группы и на что они делятся. Сейчас я попытаюсь вам понятно все объяснить, чтобы, прочитав один раз, вы поняли навсегда.
Классификация по агрегатному состоянию
По агрегатному состоянию выделяется три основных вида диэлектриков:
- твердые – это стекло, пластик, керамика и подобные вещества. Они используются в специализированных станциях и заводах, позволяют ограничить распространение тока и сделать среду более безопасной для окружающих;
- жидкие – это масла, спреи, дистиллированная вода, которые снабжаются в различных машинах и технологиях. Например, это трансформаторы, которые просто не могут работать без изоляторов;
- газовые – к этому типу относятся исключительно азот, который чаще всего используют для того, чтобы понизить их температуру. Это позволяет обезопасить технику от сильного перегрева и возможного взрыва.
Классификация по происхождению
По происхождения изоляторы бывают органическими и неорганическими:
- органические – это диэлектрики, которые добываются в окружающей среде и были созданные не под влиянием человека. Они используются крайне редко, из-за их малого количества свойств;
- неорганические – эти изоляторы создаются самими людьми и чаще всего используются в производстве и деятельности. Они отлично останавливают ток и блокируют его распространение.
Способы применения
Многие мои ученики думают, что диэлектрики применяются везде, где есть хоть какие-либо технологии, в каждой машине и приборе. Но это ошибочное мнение, потому что они используются исключительно в тех случаях, когда необходимо ограничить распространение электрического тока и обезопасить окружающую среду.
У диэлектриков есть большое количество способов применения. Например, жидкие непереводные вещи используются в создании разных видов масел, которые применяются в транспортных средствах, помогают укрепить промышленные детали и сделать электроизоляцию.
Газовые диэлектрики – это азот. Его применение очень широко. Многие используют азот для охлаждения промышленных приспособлений или химических смесей, а во многих печках он помогает избежать сильной газовой протечки, а также часто применяется в высокоточных переключателях. Их можно встретить в каждом доме, в котором присутствуют какие-либо газовые приборы.
Огромное спектр применения у твердых диэлектриков. Например, они применяются в проводах, электронных машинах, на станциях и так далее. Эти компоненты используются даже в космосе для поддержки кораблей. Твердые диэлектрики более практичные и многофункциональные, чем прочие агрегатные компоненты, вследствие этого их можно встретить намного чаще.
Диэлектрики есть везде, даже в вашем доме. Посмотрите на свои провода, электронные приборы и считок. Везде есть диэлектрики, которые позволяют приостановить продвижения тока и тем самым ограничить его воздействие на людей. Это очень важный компонент, без которого не смогло бы существовать половина приборов и машин.
Источник
