sưởi ấm điện môi

sưởi ấm điện môi là gì

Gia nhiệt điện môi đề cập đến sự gia nhiệt của chất điện môi và chất bán dẫn trong một điện trường xoay chiều dưới ảnh hưởng của vật liệu được nung nóng bị phân cực. Phân cực là quá trình dịch chuyển các điện tích liên kết, dẫn đến xuất hiện mômen điện tại mỗi phần tử thể tích vĩ mô.

Phân cực được chia thành đàn hồi và thư giãn: đàn hồi (không có quán tính) xác định năng lượng của điện trường và thư giãn (quán tính) xác định nhiệt giải phóng trong vật liệu được nung nóng. Trong phân cực thư giãn bởi một điện trường bên ngoài, công việc được thực hiện để vượt qua các lực của liên kết bên trong ("ma sát") của các nguyên tử, phân tử, phức hợp tích điện. Một nửa công việc này được chuyển thành nhiệt.

Công suất giải phóng trong một chất điện môi thường quy cho một đơn vị thể tích và được tính theo công thức

trong đó γ là độ dẫn liên hợp phức của vật liệu, EM là cường độ điện trường trong vật liệu.

dẫn phức tạp

Ở đây, εr là tổng hằng số điện môi phức tạp.

Phần thực của ε', được gọi là hằng số điện môi, ảnh hưởng đến lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong vật liệu. Phần ảo của ε «, được gọi là hệ số tổn thất, là thước đo năng lượng (nhiệt) tiêu tan trong vật liệu.

Hệ số tổn thất tính đến năng lượng tiêu tán trong vật liệu do cả dòng điện phân cực và dòng điện rò rỉ.

Trong thực tế, các tính toán sử dụng một giá trị được gọi là tiếp tuyến góc mất mát:

Tang của góc tổn thất xác định tỷ lệ giữa năng lượng dành cho việc đốt nóng và năng lượng dự trữ của các dao động điện từ.

Xem xét ở trên, công suất hoạt động cụ thể theo thể tích, W / m3:

hoặc

Như vậy, công suất khối lượng riêng tỉ lệ với bình phương cường độ điện trường trong vật nung nóng, tần số và hệ số tổn thất.

Cường độ của điện trường trong vật liệu được nung nóng phụ thuộc vào điện áp đặt vào, hằng số điện môi ε ', vị trí và hình dạng của các điện cực tạo thành trường. Đối với một số trường hợp phổ biến nhất trong thực tế, vị trí của các điện cực, cường độ điện trường được tính theo các công thức trong Hình 1.

Cơm. 1. Để tính toán cường độ điện trường: a — tụ điện hình trụ, b — tụ điện phẳng một lớp, c, d — tụ điện phẳng nhiều lớp với sự sắp xếp các lớp vật liệu tương ứng theo chiều ngang và dọc theo điện trường .

Cần lưu ý rằng giá trị tối đa giới hạn của Em bị giới hạn bởi độ bền điện của vật liệu được nung nóng. Điện áp không được vượt quá một nửa điện áp đánh thủng.Công suất cho hạt của cây ngũ cốc và rau được lấy trong khoảng (5 … 10) 103 V / m, đối với gỗ — (5 … 40) 103 V / m, polyvinyl clorua — (1 … 10 ) 105 V / m.

Hệ số tổn thất ε « phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu, nhiệt độ và độ ẩm, tần số và cường độ điện trường trong vật liệu.

Đặc tính gia nhiệt điện môi của vật liệu

Hệ thống sưởi điện môi được sử dụng trong các ngành công nghiệp và nông nghiệp khác nhau.

Các đặc điểm chính của hệ thống sưởi điện môi như sau.

1. Nhiệt được giải phóng trong chính vật liệu được làm nóng, giúp tăng tốc độ gia nhiệt lên hàng chục và hàng trăm lần (so với gia nhiệt đối lưu), điều này đặc biệt đáng chú ý đối với các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp (gỗ, ngũ cốc, nhựa, v.v.). ).

2. Gia nhiệt điện môi có chọn lọc: công suất thể tích riêng và theo đó, nhiệt độ của từng thành phần của vật liệu không đồng nhất là khác nhau. Chức năng này được sử dụng trong nông nghiệp, ví dụ như khử trùng ngũ cốc và ngâm tằm,

3. Trong quá trình sấy điện môi, nhiệt được giải phóng bên trong vật liệu và do đó nhiệt độ ở trung tâm cao hơn ở ngoại vi. Độ ẩm bên trong vật liệu chuyển từ ướt sang khô và từ nóng sang lạnh. Vì vậy, trong quá trình sấy đối lưu, nhiệt độ bên trong vật liệu thấp hơn ở ngoại vi và dòng ẩm do gradient nhiệt độ ngăn không cho hơi ẩm di chuyển lên bề mặt. Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả của sấy đối lưu. Trong quá trình sấy điện môi, độ ẩm thay đổi do chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm trùng nhau.Đây là ưu điểm chính của sấy điện môi.

4. Khi làm nóng và sấy khô trong điện trường có tần số cao, hệ số tổn thất giảm và theo đó là công suất của dòng nhiệt. Để giữ nguồn điện ở mức yêu cầu, bạn cần thay đổi tần số hoặc điện áp cung cấp cho tụ điện.

Lắp đặt hệ thống sưởi điện môi

Ngành công nghiệp sản xuất cả hệ thống lắp đặt tần số cao chuyên dụng dành cho xử lý nhiệt của một hoặc một số loại sản phẩm, cũng như hệ thống lắp đặt cho mục đích sử dụng chung. Bất chấp những khác biệt này, tất cả các cài đặt tần số cao đều có sơ đồ cấu trúc giống nhau (Hình 2).

Vật liệu được làm nóng trong tụ điện làm việc của thiết bị tần số cao 1. Điện áp tần số cao được cung cấp cho tụ điện làm việc thông qua khối mạch dao động trung gian 2, được thiết kế để điều chỉnh công suất và điều chỉnh máy phát 3. Bộ tạo đèn chuyển đổi điện áp một chiều nhận được từ bộ chỉnh lưu bán dẫn 4, ở điện áp xoay chiều tần số cao. Đồng thời, ít nhất 20 ... 40% tổng năng lượng nhận được từ bộ chỉnh lưu được sử dụng trong bộ tạo đèn.

Hầu hết năng lượng bị mất ở cực dương của đèn, phải được làm mát bằng nước. Cực dương của đèn được cung cấp so với trái đất 5 … 15 kV, do đó hệ thống cung cấp nước làm mát cách ly rất phức tạp. Máy biến áp 5 được thiết kế để tăng điện áp mạng lên 6 ... 10 kV và ngắt kết nối dẫn điện giữa máy phát và mạng điện. Khối 6 được sử dụng để bật và tắt cài đặt, thực hiện tuần tự các hoạt động công nghệ và bảo vệ chống lại các chế độ khẩn cấp.

Việc lắp đặt hệ thống sưởi điện môi khác nhau về công suất và tần số của máy phát điện, về cấu tạo của các thiết bị phụ trợ được thiết kế để di chuyển và giữ vật liệu đã xử lý, cũng như tác động cơ học lên nó.

Cơm. 2. Sơ đồ khối lắp đặt tần số cao: 1 — thiết bị tần số cao có tụ điện tải, 2 — khối mạch dao động trung gian có bộ điều chỉnh công suất, điện dung cắt và cuộn cảm, 3 — bộ phát đèn tách biệt cực dương và mạng mạch, 4 — bộ chỉnh lưu bán dẫn : 5 — máy biến áp tăng áp, c — khối bảo vệ hệ thống khỏi các chế độ vận hành bất thường.

Ngành công nghiệp sản xuất một số lượng lớn các cài đặt tần số cao cho các mục đích khác nhau. Để xử lý nhiệt các sản phẩm, máy phát tần số cao nối tiếp được sử dụng để sản xuất các thiết bị chuyên dụng.

Việc chọn một máy phát điện để sưởi ấm bằng chất điện môi phụ thuộc vào việc xác định công suất và tần số của nó.

Công suất dao động Pg của máy phát tần số cao phải lớn hơn lưu lượng nhiệt Ф cần thiết cho quá trình xử lý nhiệt của vật liệu bằng giá trị tổn thất trong tụ điện làm việc và khối mạch dao động trung gian:

trong đó ηk là hiệu suất làm việc của tụ điện, phụ thuộc vào diện tích bề mặt truyền nhiệt, hệ số truyền nhiệt và chênh lệch nhiệt độ giữa vật liệu và môi chất ηk = 0,8 ... 0,9, ηe là hiệu suất điện của mạch dao động ηe = 0,65 ... 0, 7, ηl - hiệu suất, có tính đến tổn thất trong dây kết nối tần số cao ηl = 0,9 ... 0,95.

Công suất do máy phát điện tiêu thụ từ lưới điện:

Ở đây ηg là hiệu suất máy phát điện ηg = 0,65 … 0,85.

Tổng hiệu suất của việc cài đặt tần số cao được xác định bằng tích của hiệu suất của tất cả các đơn vị của nó và bằng 0,3 ... ... 0,5.

Hiệu quả thấp như vậy là một yếu tố quan trọng ngăn cản việc sử dụng rộng rãi hệ thống sưởi điện môi trong sản xuất nông nghiệp.

Hiệu suất năng lượng của các cài đặt tần số cao có thể được cải thiện bằng cách sử dụng nhiệt do máy phát điện tiêu tán.

Tần số của dòng điện khi đốt nóng chất điện môi và chất bán dẫn được chọn dựa trên dòng nhiệt F cần thiết. Trong xử lý nhiệt nông sản, dòng thể tích riêng bị giới hạn bởi tốc độ gia nhiệt và sấy khô cho phép. Từ sự cân bằng của các lực lượng trong tụ điện làm việc, chúng ta có

trong đó V là thể tích vật liệu được nung nóng, m3.

Tần suất tối thiểu mà quá trình công nghệ diễn ra với một tốc độ nhất định:

trong đó Emax là cường độ điện trường tối đa cho phép trong vật liệu, V/m.

Khi tần số tăng thì Em giảm và do đó độ tin cậy của quy trình công nghệ tăng. Tuy nhiên, có một số hạn chế để tăng tần suất. Việc tăng tần số là không thực tế nếu tỷ lệ tổn thất giảm mạnh. Ngoài ra, khi tần số tăng lên, việc khớp các thông số của tải và máy phát ngày càng trở nên khó khăn. Tần số tối đa, Hz, tại đó thỏa thuận này được cung cấp:

trong đó L và C là các giá trị tương đương tối thiểu có thể có của điện cảm và điện dung của mạch tải có tụ điện làm việc.

Với kích thước tuyến tính lớn của tụ điện làm việc, việc tăng tần số có thể dẫn đến sự phân bố điện áp không đồng đều trên điện cực và do đó, làm nóng không đều. Tần số tối đa cho phép, Hz, đối với điều kiện này

trong đó l là kích thước bản lớn nhất của tụ điện làm việc, m.