Dielektrische Heizung
Was ist dielektrische Erwärmung?
Unter dielektrischer Erwärmung versteht man die Erwärmung von Dielektrika und Halbleitern in einem elektrischen Wechselfeld, unter dessen Einfluss das erhitzte Material polarisiert wird. Polarisation ist ein Prozess der Verschiebung assoziierter Ladungen, der zum Auftreten eines elektrischen Moments an jedem makroskopischen Volumenelement führt.
Die Polarisation wird in Elastizität und Entspannung unterteilt: Elastizität (ohne Trägheit) bestimmt die Energie des elektrischen Feldes und Entspannung (Trägheit) bestimmt die im erhitzten Material freigesetzte Wärme. Bei der Relaxationspolarisation durch ein externes elektrisches Feld wird Arbeit geleistet, um die Kräfte der inneren Bindungen („Reibung“) von Atomen, Molekülen und geladenen Komplexen zu überwinden. Die Hälfte dieser Arbeit wird in Wärme umgewandelt.
Die in einem Dielektrikum freigesetzte Leistung wird üblicherweise auf eine Volumeneinheit bezogen und nach der Formel berechnet
Dabei ist γ die komplex konjugierte Leitfähigkeit des Materials, EM die elektrische Feldstärke im Material.
Komplexe Leitung
Hier ist εr die gesamte komplexe Dielektrizitätskonstante.
Der Realteil von ε‘, die sogenannte Dielektrizitätskonstante, beeinflusst die Energiemenge, die in einem Material gespeichert werden kann. Der Imaginärteil von ε «, Verlustfaktor genannt, ist ein Maß für die im Material dissipierte Energie (Wärme).
Der Verlustfaktor berücksichtigt die im Material aufgrund von Polarisation und Leckströmen verlorene Energie.
In der Praxis verwenden Berechnungen einen Wert, der Verlustwinkeltangens genannt wird:
Der Tangens des Verlustwinkels bestimmt das Verhältnis der zum Erhitzen aufgewendeten Energie zur gespeicherten Energie elektromagnetischer Schwingungen.
Unter Berücksichtigung des oben Gesagten ergibt sich die volumetrische spezifische Wirkleistung, W/m3:
oder
Somit ist die spezifische Volumenleistung proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke im erhitzten Material, der Frequenz und dem Verlustfaktor.
Die Stärke des elektrischen Feldes im erhitzten Material hängt von der angelegten Spannung, der Dielektrizitätskonstante ε ', der Lage und Form der Elektroden ab, die das Feld bilden. Für einige der in der Praxis am häufigsten vorkommenden Fälle wird die Position der Elektroden und die Stärke des elektrischen Feldes anhand der in Abbildung 1 dargestellten Formeln berechnet.
Reis. 1. Zur Berechnung der Stärke des elektrischen Feldes: a – Zylinderkondensator, b – flacher Einschichtkondensator, c, d – flacher Mehrschichtkondensator mit einer Anordnung von Materialschichten jeweils quer und entlang des elektrischen Feldes .
Es ist zu beachten, dass der begrenzende Maximalwert von Em durch die elektrische Festigkeit des erhitzten Materials begrenzt ist. Die Spannung sollte die Hälfte der Durchbruchspannung nicht überschreiten.Die Kapazität für Samen von Getreide- und Gemüsepflanzen liegt im Bereich (5 … 10) 103 V/m, für Holz – (5 … 40) 103 V/m, Polyvinylchlorid – (1 … 10) 105 V/m.
Der Verlustkoeffizient ε « hängt von der chemischen Zusammensetzung und Struktur des Materials, seiner Temperatur und seinem Feuchtigkeitsgehalt sowie von der Frequenz und Stärke des elektrischen Feldes im Material ab.
Dielektrische Erwärmungseigenschaften von Materialien
Dielektrische Heizung wird in verschiedenen Industrien und in der Landwirtschaft eingesetzt.
Die Hauptmerkmale der dielektrischen Erwärmung sind wie folgt.
1. Im erhitzten Material selbst wird Wärme freigesetzt, wodurch die Erwärmung um das Zehn- und Hundertfache beschleunigt werden kann (im Vergleich zur konvektiven Erwärmung). Dies macht sich besonders bei Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit (Holz, Getreide, Kunststoffe usw.) bemerkbar. ).
2. Die dielektrische Erwärmung ist selektiv: Die spezifische Volumenleistung und dementsprechend die Temperatur jeder Komponente eines inhomogenen Materials sind unterschiedlich. Diese Funktion wird in der Landwirtschaft beispielsweise zur Desinfektion von Getreide und zum Einlegen von Seidenraupen genutzt.
3. Bei der dielektrischen Trocknung wird im Inneren des Materials Wärme freigesetzt und daher ist die Temperatur im Zentrum höher als in der Peripherie. Die Feuchtigkeit im Inneren des Materials bewegt sich von nass nach trocken und von heiß nach kalt. Bei der konvektiven Trocknung ist die Temperatur im Inneren des Materials also niedriger als an der Peripherie, und der Feuchtigkeitsfluss aufgrund des Temperaturgradienten verhindert, dass Feuchtigkeit an die Oberfläche gelangt. Dadurch wird die Wirksamkeit der konvektiven Trocknung erheblich verringert. Bei der dielektrischen Trocknung fallen die Feuchtigkeitsflüsse aufgrund der Temperaturdifferenz und des Feuchtigkeitsgehalts zusammen.Dies ist der Hauptvorteil der dielektrischen Trocknung.
4. Beim Erhitzen und Trocknen in einem elektrischen Feld mit hoher Frequenz sinkt der Verlustkoeffizient und dementsprechend die Leistung des Wärmeflusses. Um die Leistung auf dem erforderlichen Niveau zu halten, müssen Sie die dem Kondensator zugeführte Frequenz oder Spannung ändern.
Dielektrische Heizanlagen
Die Industrie produziert sowohl spezialisierte Hochfrequenzanlagen zur Wärmebehandlung eines oder mehrerer Produkttypen als auch Anlagen für den allgemeinen Gebrauch. Trotz dieser Unterschiede weisen alle Hochfrequenzanlagen das gleiche Strukturschema auf (Abb. 2).
Das Material wird im Arbeitskondensator des Hochfrequenzgeräts 1 erhitzt. Die Hochfrequenzspannung wird dem Arbeitskondensator über den Block der Zwischenschwingkreise 2 zugeführt, der für die Leistungsregelung und die Generatorregelung 3 ausgelegt ist. Der Lampengenerator wandelt die um Die vom Halbleitergleichrichter 4 empfangene Gleichspannung wird in hochfrequente Wechselspannung umgewandelt. Gleichzeitig werden mindestens 20 ... 40 % der gesamten vom Gleichrichter empfangenen Energie im Lampengenerator verbraucht.
Der größte Teil der Energie geht an der Anode der Lampe verloren, die durch Wasser gekühlt werden muss. Die Anode der Lampe wird gegenüber der Erde mit 5 … 15 kV versorgt, daher ist das System der isolierten Kühlwasserversorgung sehr komplex. Der Transformator 5 dient dazu, die Netzspannung auf 6 ... 10 kV zu erhöhen und die leitende Verbindung zwischen Generator und Stromnetz zu trennen. Block 6 dient zum Ein- und Ausschalten der Anlage, zur sequentiellen Durchführung technologischer Vorgänge und zum Schutz vor Notfällen.
Dielektrische Heizanlagen unterscheiden sich voneinander in der Leistung und Frequenz des Generators, in der Konstruktion von Hilfsgeräten zum Bewegen und Halten des verarbeiteten Materials sowie in der mechanischen Einwirkung darauf.
Reis. 2. Blockschaltbild der Hochfrequenzanlage: 1 – Hochfrequenzgerät mit Lastkondensator, 2 – Block von Zwischenschwingkreisen mit Leistungsregler, Trimmkapazitäten und Induktivitäten, 3 – Lampengenerator mit Trennung von Anoden und Netzwerk Schaltkreise, 4 – Halbleitergleichrichter: 5 – Aufwärtstransformator, c – Block, der die Anlage vor anormalen Betriebszuständen schützt.
Die Industrie produziert eine große Anzahl von Hochfrequenzanlagen für verschiedene Zwecke. Zur Wärmebehandlung von Produkten werden serielle Hochfrequenzgeneratoren eingesetzt, für die spezielle Geräte hergestellt werden.
Bei der Auswahl eines Generators zum Heizen mit Dielektrikum kommt es auf die Bestimmung seiner Leistung und Frequenz an.
Die Schwingleistung Pg des Hochfrequenzgenerators muss um den Wert der Verluste im Arbeitskondensator und im Block der Zwischenschwingkreise größer sein als der für die Wärmebehandlung des Materials notwendige Wärmestrom Ф:
wobei ηk der Wirkungsgrad des Arbeitskondensators ist, abhängig von der Fläche der Wärmeübertragungsfläche, dem Wärmeübergangskoeffizienten und der Temperaturdifferenz zwischen Material und Medium ηk = 0,8 ... 0,9, ηe der elektrische Wirkungsgrad von der Schwingkreis ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — Wirkungsgrad unter Berücksichtigung der Verluste in Hochfrequenz-Verbindungsdrähten ηl = 0,9 … 0,95.
Stromverbrauch des Generators aus dem Netz:
Dabei ist ηg der Generatorwirkungsgrad ηg = 0,65 … 0,85.
Der Gesamtwirkungsgrad einer Hochfrequenzanlage wird durch das Produkt des Wirkungsgrades aller ihrer Einheiten bestimmt und beträgt 0,3 ... ... 0,5.
Ein solch geringer Wirkungsgrad ist ein wichtiger Faktor, der den weit verbreiteten Einsatz der dielektrischen Heizung in der landwirtschaftlichen Produktion verhindert.
Die Energieleistung von Hochfrequenzanlagen kann durch Nutzung der vom Generator abgeführten Wärme verbessert werden.
Die Frequenz des Stroms beim Erhitzen von Dielektrika und Halbleitern wird anhand des erforderlichen Wärmestroms F ausgewählt. Bei der Wärmebehandlung landwirtschaftlicher Produkte wird der spezifische Volumenstrom durch die zulässige Erhitzungs- und Trocknungsgeschwindigkeit begrenzt. Aus dem Kräftegleichgewicht im Arbeitskondensator ergibt sich
Dabei ist V das Volumen des erhitzten Materials, m3.
Die minimale Häufigkeit, mit der der technologische Prozess bei einer bestimmten Geschwindigkeit abläuft:
wobei Emax die maximal zulässige elektrische Feldstärke im Material ist, V/m.
Mit steigender Frequenz nimmt Em ab und damit steigt die Zuverlässigkeit des technologischen Prozesses. Es gibt jedoch einige Einschränkungen bei der Erhöhung der Frequenz. Es ist unpraktisch, die Frequenz zu erhöhen, wenn die Verlustquote stark sinkt. Außerdem wird es mit zunehmender Frequenz immer schwieriger, die Parameter von Last und Generator aufeinander abzustimmen. Maximale Frequenz (Hz), bei der diese Vereinbarung bereitgestellt wird:
wobei L und C die minimal möglichen äquivalenten Werte der Induktivität und Kapazität des Lastkreises mit einem Arbeitskondensator sind.
Bei großen linearen Abmessungen des Arbeitskondensators kann eine Erhöhung der Frequenz zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung an der Elektrode und damit zu einer ungleichmäßigen Erwärmung führen. Die maximal zulässige Frequenz, Hz, für diesen Zustand
wobei l die größte Plattengröße des Arbeitskondensators ist, m.