К.п.д. установок диэлектрического нагрева

Лекция № 21

Диэлектрический нагрев

План лекции

1. Мощность диэлектрического нагрева

2. Зависимость мощности от параметров режима диэлектрического нагрева

3. К.п.д. диэлектрического нагрева

4. Преимущества недостатки диэлектрического нагрева

Диэлектрик, подлежащий нагреву или сушке (чай, табак, хмель, семена, фрукты, виноград, морковь, деревянные изделия и т.д.), помещают между металлическими обкладками конденсатора, подключенного к источнику переменного тока. Мощность, Вт/м², выделяемая в единице объема нагреваемого диэлектрика, определяется в соответствии с выражением

Подставляя в него ε₀ =1/4π9·10⁹, Ф/м, или 8,85·10^-12 Ф/м, получаем

Из уравнения следует, что диэлектрическая проницаемость ε_r и тангенс угла потерь tg δ – основные характеристики диэлектрика, определяющие его нагрев в переменном электрическом поле. Они зависят от частоты f изменения электрического поля, его напряженности, температуры диэлектрика и некоторых других факторов. Характер зависимости ε_r и tg δ от частоты показан на рисунке.

ε_r, tg δ

ε_r = φ(f)

tg δ = φ(f)

f₀ f

При низких частотах смещение зарядов в диэлектрике (поляризация) успевает следовать за изменениями электрического поля, поэтому поглощение энергии незначительно. С повышением частоты скорость смещения зарядов возрастает, поглощение энергии увеличивается, поэтому tg δ на некоторой частоте f₀ достигает максимального значения. При дальнейшем повышении частоты заряды не успевают смещаться, отслеживая изменения электрического поля, поэтому ε_r уменьшается, поглощение энергии при малых смещениях снижается и, следовательно, уменьшается и tg δ. В зависимости от структуры диэлектриков и характера поляризации кривая tg δ может иметь несколько максимумов, а кривая ε_r - несколько ступеней снижения.

Чтобы увеличить объемную плотность мощности, выделяющейся в диэлектрике, т.е. для интенсификации процесса нагрева, используют высокие и сверхвысокие частоты, а также высокие напряженности. Однако с повышением частоты уменьшается глубина проникновения электромагнитной волны в реальный диэлектрик. Глубину проникновения электромагнитной энергии, определяемую как расстояние z₀ от поверхности диэлектрика, на котором напряженность электрического поля убывает в е раз, находят по формуле:

(с.92 по учебнику Живописцева - формулы непонятны)

Далее – 2 листа ксерокопии.

Для точки, находящейся на расстоянии l = а,

где E_a - напряженность электрического поля для точки, находящейся на расстоянии l = а, В/м.

Отношение E_a / E_max характеризует неравномерность распределения электрического поля в рабочем конденсаторе. Если она задана требованиями технологического процесса, то из формулы (*) определяют значение k = 2a / λ, а по отношению

максимальную частоту, удовлетворяющую этим требованиям

где 2а – наибольший относительно точек подключения питания линейный размер электрода рабочего конденсатора.

Чтобы снизить неравномерность напряженности поля в материале, рабочий конденсатор присоединяют к источнику питания посередине электрода. При этом размер 2а равен половине длины электродов.

Верхнее значение частоты определяется также глубиной проникновения электромагнитной волны в материал и возможностью согласования параметров нагрузки и генератора для максимальной передачи энергии в рабочий конденсатор.

К.п.д. установок диэлектрического нагрева

Мощность, Вт, потребляемая установкой из сети

где Ф_п – полезный тепловой поток, идущий на нагрев диэлектрика,

η_к - к.п.д. конденсатора (η_к = 0,8…0,9);

η_э – к.п.д. колебательного контура (η_э = 0,65…0,67);

η_л – к.п.д. подводящих проводов, (η_л = 0,95…0,99);

η_г – к.п.д. генератора частоты (η_э = 0,65…0,85).

Общий к.п.д. установок η_общ = 0,3…0,5.

При выборе частоты электрического поля учитывают параметры нагреваемого материала. Тогда уравнение энергетического баланса имеет вид

Минимальная частота установки для обеспечения требуемого режима

Диэлектрические установки используют для равномерного и быстрого нагрева вещества по всему его объему. Возможен избирательный нагрев сыпучего вещества, например, семян, зараженных насекомыми или бактериями. В этом случае, изменяя частоту, можно провести дезинсекцию семян. В ряде случаев возможно использование механического воздействия нагрева (изгибы и деформация при сушке древесины и т.п.).

Недостатки установок:

1. низкий к.п.д.

2. необходимость использования квалифицированного персонала при обслуживании и ремонте.