dielektrik ısıtma

dielektrik ısıtma nedir

Dielektrik ısıtma, dielektriklerin ve yarı iletkenlerin, ısıtılmış malzemenin polarize olduğu alternatif bir elektrik alanında ısıtılmasını ifade eder. Polarizasyon, her bir makroskobik hacim elemanında bir elektrik momentinin ortaya çıkmasına yol açan, ilişkili yüklerin yer değiştirmesi işlemidir.

Polarizasyon elastik ve gevşeme olarak ikiye ayrılır: elastik (ataletsiz) elektrik alanının enerjisini belirler ve gevşeme (atalet) ısıtılmış malzemede salınan ısıyı belirler. Harici bir elektrik alanı tarafından gevşeme polarizasyonunda, atomların, moleküllerin, yüklü komplekslerin iç bağlarının ("sürtünme") kuvvetlerinin üstesinden gelmek için iş yapılır. Bu işin yarısı ısıya dönüştürülür.

Bir dielektrikte salınan güç genellikle bir hacim birimi olarak adlandırılır ve formülle hesaplanır.

burada γ, malzemenin karmaşık eşlenik iletkenliğidir, EM, malzemedeki elektrik alan şiddetidir.

karmaşık iletim

Burada εr, toplam kompleks dielektrik sabitidir.

Dielektrik sabiti olarak adlandırılan ε' gerçek kısmı, bir malzemede depolanabilecek enerji miktarını etkiler. ε «'nin hayali kısmı, kayıp faktörü olarak adlandırılır, malzemede dağılan enerjinin (ısı) bir ölçüsüdür.

Kayıp faktörü, hem polarizasyon hem de kaçak akımlar nedeniyle malzemede dağılan enerjiyi hesaba katar.

Uygulamada, hesaplamalar kayıp açısı teğeti adı verilen bir değer kullanır:

Kayıp açısının tanjantı, ısıtma için harcanan enerjinin elektromanyetik salınımların depolanan enerjisine oranını belirler.

Yukarıdakiler göz önüne alındığında, hacimsel özgül aktif güç, W / m3:

veya

Böylece özgül hacim gücü, ısıtılan malzemedeki elektrik alan şiddetinin, frekansın ve kayıp faktörünün karesiyle orantılıdır.

Isıtılan malzemedeki elektrik alanın kuvveti, uygulanan gerilime, dielektrik sabitine ε', alanı oluşturan elektrotların konumu ve şekline bağlıdır. Uygulamada en sık karşılaşılan durumlardan bazıları için elektrotların yeri, elektrik alan şiddeti Şekil 1'de gösterilen formüllerle hesaplanır.

Pirinç. 1. Elektrik alanının gücünün hesaplanması için: a - silindirik kapasitör, b - düz tek katmanlı kapasitör, c, d - sırasıyla enine ve elektrik alanı boyunca malzeme katmanlarının düzenlenmesine sahip düz çok katmanlı kapasitör .

Em'in sınırlayıcı maksimum değerinin, ısıtılan malzemenin elektriksel gücü ile sınırlı olduğuna dikkat edilmelidir. Gerilim, arıza geriliminin yarısını geçmemelidir.Tahıl ve sebze tohumları için kapasite (5 … 10) 103 V / m, ahşap için - (5 ... 40) 103 V / m, polivinil klorür - (1 ... 10 ) 105 V / m aralığında alınır.

Kayıp katsayısı ε « malzemenin kimyasal bileşimine ve yapısına, sıcaklığına ve nem içeriğine, malzemedeki elektrik alanının frekansına ve gücüne bağlıdır.

Malzemelerin dielektrik ısıtma özellikleri

Dielektrik ısıtma, çeşitli endüstrilerde ve tarımda kullanılmaktadır.

Dielektrik ısıtmanın temel özellikleri aşağıdaki gibidir.

1. Isıtılan malzemenin kendisinde ısı açığa çıkar, bu da ısıtmayı onlarca ve yüzlerce kat hızlandırmayı mümkün kılar (konvektif ısıtmaya kıyasla). Bu, özellikle düşük ısı iletkenliği olan malzemeler (ahşap, tahıl, plastik vb.) ).

2. Dielektrik ısıtma seçicidir: özgül hacimsel güç ve buna bağlı olarak homojen olmayan bir malzemenin her bir bileşeninin sıcaklığı farklıdır. Bu işlev, tarımda, örneğin tahılların dezenfekte edilmesinde ve ipekböceklerinin salamura edilmesinde kullanılır.

3. Dielektrik kurutma sırasında malzemenin içinde ısı açığa çıkar ve bu nedenle merkezdeki sıcaklık çevredekinden daha yüksektir. Malzemenin içindeki nem ıslaktan kuruya ve sıcaktan soğuğa doğru hareket eder. Bu nedenle, konvektif kurutma sırasında, malzemenin içindeki sıcaklık, çevredekinden daha düşüktür ve sıcaklık gradyanından dolayı nem akışı, nemin yüzeye hareket etmesini engeller. Bu, konvektif kurutmanın etkinliğini büyük ölçüde azaltır. Dielektrik kurutmada, sıcaklık farkından dolayı nem akışları ve nem içeriği çakışır.Dielektrik kurutmanın ana avantajı budur.

4. Yüksek frekanslı bir elektrik alanında ısıtma ve kurutma sırasında, kayıp katsayısı ve buna bağlı olarak ısı akışının gücü azalır. Gücü gerekli seviyede tutmak için, kapasitöre verilen frekansı veya voltajı değiştirmeniz gerekir.

Dielektrik ısıtma tesisatları

Endüstri, hem bir veya birkaç ürün türünün ısıl işlemine yönelik özel yüksek frekanslı kurulumlar hem de genel kullanım için kurulumlar üretir. Bu farklılıklara rağmen, tüm yüksek frekanslı kurulumlar aynı yapısal şemaya sahiptir (Şekil 2).

Malzeme, yüksek frekanslı cihazın 1 çalışma kondansatöründe ısıtılır. Yüksek frekanslı voltaj, güç regülasyonu ve jeneratör regülasyonu 3 için tasarlanmış ara salınım devreleri 2 bloğu aracılığıyla çalışma kondansatörüne beslenir. yüksek frekanslı alternatif voltajda yarı iletken doğrultucudan (4) alınan doğrudan voltaj. Aynı zamanda doğrultucudan alınan tüm enerjinin en az %20...40'ı lamba jeneratöründe harcanır.

Enerjinin çoğu, suyla soğutulması gereken lambanın anodunda kaybolur. Lambanın anodu toprağa göre 5 … 15 kV beslenir, bu nedenle izole soğutma suyu besleme sistemi çok karmaşıktır. Transformatör 5, şebeke voltajını 6 ... 10 kV'a çıkarmak ve jeneratör ile elektrik şebekesi arasındaki iletken bağlantıyı kesmek için tasarlanmıştır. Blok 6, tesisatı açıp kapatmak, teknolojik işlemleri sırayla gerçekleştirmek ve acil durum modlarına karşı koruma sağlamak için kullanılır.

Dielektrik ısıtma tesisatları, jeneratörün gücü ve frekansında, işlenmiş malzemeyi taşımak ve tutmak için tasarlanmış yardımcı ekipmanların yapımında ve ayrıca üzerindeki mekanik etkide birbirinden farklıdır.

Pirinç. 2. Yüksek frekanslı kurulumun blok şeması: 1 — yük kapasitörlü yüksek frekanslı cihaz, 2 — güç regülatörlü, kapasitansları ve endüktansları ayarlayan ara salınımlı devrelerden oluşan bir blok, 3 — anotları ve ağı ayıran lamba üreteci devreler, 4 — yarı iletken doğrultucu : 5 — yükseltici transformatör, c — tesisatı anormal çalışma modlarından koruyan blok.

Endüstri, çeşitli amaçlar için çok sayıda yüksek frekanslı kurulum üretir. Ürünlerin ısıl işlemi için, özel cihazların üretildiği seri yüksek frekanslı jeneratörler kullanılır.

Bir dielektrik ile ısıtmak için bir jeneratör seçmek, gücünü ve frekansını belirlemeye gelir.

Yüksek frekanslı jeneratörün salınım gücü Pg, çalışma kapasitöründeki ve ara salınım devrelerinin bloğundaki kayıpların değeri ile malzemenin ısıl işlemi için gerekli olan ısı akışından Ф daha büyük olmalıdır:

burada ηk, ısı transfer yüzeyinin alanına, ısı transfer katsayısına ve malzeme ile ortam arasındaki sıcaklık farkına bağlı olarak çalışan kapasitörün verimliliğidir ηk = 0,8 ... 0,9, ηe elektriksel verimdir salınım devresi ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — yüksek frekanslı bağlantı kablolarındaki kayıplar dikkate alındığında verimlilik ηl = 0,9 … 0,95.

Jeneratör tarafından şebekeden tüketilen güç:

Burada ηg jeneratör verimidir ηg = 0,65 … 0,85.

Yüksek frekanslı bir kurulumun toplam verimliliği, tüm birimlerinin verimliliğinin ürünü ile belirlenir ve 0,3 ... ... 0,5'e eşittir.

Bu kadar düşük verim, dielektrik ısıtmanın tarımsal üretimde yaygın olarak kullanılmasını engelleyen önemli bir faktördür.

Yüksek frekanslı kurulumların enerji performansı, jeneratör tarafından dağıtılan ısı kullanılarak iyileştirilebilir.

Dielektrikleri ve yarı iletkenleri ısıtırken akımın frekansı, gerekli ısı akışı F'ye göre seçilir. Tarım ürünlerinin ısıl işleminde, özgül hacim akışı, izin verilen ısıtma ve kurutma hızı ile sınırlıdır. Sahip olduğumuz iş kapasitöründeki kuvvet dengesinden

burada V, ısıtılan malzemenin hacmidir, m3.

Teknolojik sürecin belirli bir hızda gerçekleştiği minimum frekans:

burada Emax, malzemede izin verilen maksimum elektrik alan şiddetidir, V / m.

Frekans arttıkça Em azalır ve dolayısıyla teknolojik sürecin güvenilirliği artar. Ancak, frekansı artırmanın bazı sınırlamaları vardır. Kayıp oranı keskin bir şekilde düşerse frekansı artırmak pratik değildir. Ayrıca, frekans arttıkça, yük ve jeneratör parametrelerini eşleştirmek giderek zorlaşmaktadır. Bu anlaşmanın sağlandığı maksimum frekans, Hz:

burada L ve C, çalışan bir kapasitör ile yük devresinin mümkün olan minimum eşdeğer endüktans ve kapasitans değerleridir.

Çalışma kondansatörünün büyük doğrusal boyutlarıyla, frekanstaki bir artış, elektrot üzerinde eşit olmayan bir voltaj dağılımına ve dolayısıyla eşit olmayan ısınmaya yol açabilir. Bu durum için izin verilen maksimum frekans, Hz

burada l, çalışma kapasitörünün en büyük plaka boyutudur, m.