Установки диэлектрического нагрева реферат

Обновлено: 02.07.2024

Индукционный и диэлектрический электронагрев основан на выделении тепловой энергии непосредственно в нагреваемом теле, помещенном в переменное электромагнитное поле.
Методом индукционного нагрева можно нагревать металлические тела. При этом полезно используется магнитная составляющая переменного электромагнитного поля. Методом диэлектрического нагрева греют полупроводниковые тела и диэлектрики, используя электрическую составляющую высокочастотного поля.
Индукционный нагрев основан на передаче электрической энергии металлическому телу, помещенному в поле высокой частоты, по закону электромагнитной индукции и превращения ее в тепловую в соответствии с законом Джоуля—Ленца при протекании в теле наведенных вихревых токов.
Индукционный нагрев можно получить в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами — индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от индивидуальных генераторов токов высокой частоты или непосредственно от сети. Индуктор представляет собой первичную обмотку воздушного трансформатора (без сердечника), вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.
Излучаемая индуктором электромагнитная волна падает на металлическую деталь и, поглощаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии через единицу поверхности тела (Вт/м2)
(17.28)
а плотность вихревых токов убывает по закону
(17.29)
где Inn — си, [а тока (А) и число витков индуктора; р — удельное сопротивление (Ом-м) и относительная магнитная проницаемость детали; f — частота, Гц; F—функция, зависящая от геометрии и размеров детали и частоты тока; г — расстояние от поверхности в глубь проводника, м.
Значение (м)
(17.30)
называется глубиной проникновения поля (или тока) в проводящую среду. Она представляет собой расстояние от поверхности в глубь тела, на котором амплитуда плотности тока убывает в е=2,72 раза, и где выделяется около 86% всей тепловой энергии.
Отсюда видно, что с увеличением частоты глубина проникновения тока в проводник уменьшается, что в конечном итоге приводит к интенсивному поверхностному нагреву.
В ферромагнитных материалах, имеющих высокую магнитную проницаемость, поверхностный эффект распределения тока в проводнике проявляется наиболее сильно. Например, при температуре 600°С глубина проникновения тока в углеродистую сталь на частоте 50 Гц составляет 24,9 см, а на частоте 10 кГц—1,95 см. Явление поверхностного эффекта полезно используется в технике индукционного нагрева.
Расчетная удельная мощность (Вт/см2), определяемая через электрические параметры и геометрические размеры цилиндрического индуктора,
(17.31)
где а — воздушный зазор между индуктором и нагребаемой деталью, м; I — развернутая длина индуктирующего проводника, м; UK—напряжение на индукторе, В.
Эту зависимость можно использовать для расчета геометрических размеров индуктора при заданной удельной мощности индукционного нагрева.
Главными преимуществами индукционного нагрева являются: компактность и высокая готовность установки к работе, высокое качество нагрева и санитарные условия труда, высокие температуры и удельные мощности нагрева.

Рис. 17.4. Индукторы для нагрева цилиндрических (а) и плоских (б) деталей;
И — индуктор; Д — деталь.

Индукционный нагрев применяют для сквозного нагрева металлических заготовок под горячую обработку (штамповку, высадку), для поверхностной закалки, цементации, науглероживания, сварки и пайки деталей, плавки металлов, пастеризации молока, нагрева воды, воздуха и т. д.
Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева (рис. 17.4). Эффективность нагрева тем выше, чем ближе форма индуктора повторяет форму нагреваемой поверхности и чем меньше расстояние между ними.
Основными параметрами, характеризующими режимы индукционного нагрева, являются частота тока и к. п. д. Достаточно высокий к. п. д. может быть получен при определенном соотношении между размерами тела и частотой тока. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по эмпирическим зависимостям.
Частота (Гц) при сквозном нагреве стальных цилиндрических, заготовок диаметром d (мм)
(17.32)
а при нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину х (мм)
(17.33)
В последнем случае оптимальная удельная мощность (Вт/см2) от глубины закалки детали определяется как
(17.34)
где коэффициент К= (400 . 1000) Вт-мм/см2— для режимов с регулируемой начальной мощностью.
К.п.д. индуктора увеличивается с уменьшением воздушного зазора и удельного сопротивления индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных трубок, охлаждаемых проточной водой, или шин. К. п. д. индукторов находится в пределах 0,4. 0,8. Напряжение на индукторе при поверхностной закалке находится в пределах 50. 100 В, а при сквозном нагреве 100. 250 В. Теоретически коэффициент мощности индуктора не может превышать 0,707, а практически находится в пределах 0,1. 0,5. Для его повышения на вход индуктора подключают конденсаторные батареи. Мощность индуктора в течение нагрева ферромагнитных материалов не постоянна. Вначале из-за возрастания удельного сопротивления стали и температуры мощность увеличивается и достигает максимального значения (1,2. 1,5) Р, а затем вследствие потери сталью магнитных свойств падает до минимальной, что требует настройки параметров на оптимальный режим нагрева.
Установки индукционного нагрева включают в себя индуктор, высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Сравнительно простые по устройству индукционные нагреватели промышленной частоты, питаемые сетевым напряжением, выполняют в виде многослойных обмоток с проводами в термостойкой изоляции. Однако такое устройство индуктора понижает допустимую температуру нагрева и надежность, ухудшает к.п.д., cosф и увеличивает расход цветных металлов. В сельском хозяйстве эти нагреватели можно использовать для низкотемпературного поверхностного электронагрева пищевых продуктов, воды, воздуха, пола в животноводческих помещениях и т. д.
Диэлектрический нагрев основан на явлении поляризации диэлектриков и полупроводников, помещенных в электрическом поле рабочего конденсатора (диэлектрического нагревателя).
При воздействии на материал переменного электрического поля происходит непрерывное смещение зарядов и связанных с ними
молекул (поляризация). На перемещение заряженных частиц затрачивается энергия и в материале возникают токи смещения и проводимости, в результате которых происходит выделение теплоты.
Таким образом, в реальных диэлектриках и полупроводниках колебание молекул связано с потерей энергии электрического поля, вызывающей нагрев материала. Поэтому полный ток смещения j за счет электрических потерь в диэлектрике опережает напряженность поля Е в диэлектрике на угол
(рис. 17.5). Угол 6= (90—ф) называется углом диэлектрических потерь, при этом cosф=sin (90-^ф) =sin6. Так как угол б мал, то можно принять

Активную мощность, поглощаемую единицей объема диэлектрика, можно определить из векторной диаграммы
(17.35)
Учитывая, что плотность тока смещения

и заменив ш=2nf (где f — частота, Гц), ea=e0e=8,85-10~12еФ/м (ео — диэлектрическая проницаемость вакуума) и, подставив эти значения в формулу (17.35), получим значение удельной мощности диэлектрического нагрева (Вт/м3)

Рис. 17.5. Векторная диаграмма реального диэлектрика.

где Е—напряженность электрического поля, кВ/м.
Мощность диэлектрического нагрева повышается с ростом частоты и напряженности электрического поля.
Для диэлектрического нагрева разрешен ряд частот: средневолновый (440. 760 кГц), коротковолновый (5,28. 27,12 МГц) и сверхвысокий диапазон (433. 2375 МГц). Выделенные частоты ограничиваются, кроме того, пределами вариации (от 1 до 5% в соответствующих диапазонах), что связано с требованиями снижения уровня поля радиопомех.
При диэлектрическом нагреве и сушке различных материалов напряженность поля обычно не превышает 1,5. 2 кВ/см.
Произведение ctg6 называется фактором потерь материала. Эта величина зависит от температуры и влажности материала, а также от частоты поля.
Средние значения фактора потерь для некоторых сельскохозяйственных продуктов при температуре 20°С и частоте 2375 МГц следующие: для картофеля—15,3; моркови—18,8; свеклы—12,4; жира говяжьего — 0,5; мяса сырого — 18 и т. д.
Обычно с повышением температуры и влажности значение фактора потерь сельскохозяйственных материалов и продуктов повышается.
Особенностью и преимуществом диэлектрического нагрева является одновременный прогрев материала по всему объему. Поэтому он наиболее полезен для быстрого нагрева материалов с плохой теплопроводностью, которых в сельскохозяйственном производстве большинство. Диэлектрический нагрев применим для сушки семян, чая, кормов, пастеризации и стерилизации молока, соков, консервов и подогрева пресс-порошка перед прессованием пластмассовых изделий, дезинсекции зерна и т. д.
Допустимая скорость нагрева или сушки материала ограничивается технологическими требованиями к качеству тепловой обработки (отсутствие трещин, высокие посевные качества семян и т. д.).
При известных удельной мощности ДР (кВт/м3), напряжении на рабочем конденсаторе UK (кВ), площади пластины F (см2) и расстоянии между пластинами I (см) полезная мощность (кВт) диэлектрического нагрева

Установки диэлектрического нагрева включают в себя рабочий конденсатор (камеру нагрева), высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Генераторы токов высокой частоты (ТВЧ). Для индукционного нагрева металлов применяют электромашинные, статические и ламповые генераторы ТВЧ.
Электромашинные генераторы (преобразователи) выпускают на частоты от 500 до 8000 Гц мощностью от 30 до 1500 кВт. Эти агрегаты двухмашинные (трехфазный асинхронный двигатель сочленен с однофазным генератором повышенной частоты). К. п. д. электромашинных генераторов составляет 70. 80%.
Для снижения напряжения высокой частоты электромашинных преобразователей применяют однофазные закалочные трансформаторы с коэффициентом трансформации от 2’до 5.
Статические генераторы ТВЧ преобразуют ток промышленной частоты и переменный ток заданной частоты при помощи трансформаторов и вентильных элементов: ионных (тиратронов, игнитронов и т. д.) или полупроводниковых (диодов и тиристоров).
Их выпускают с частотой 500. 1000 Гц и выходной мощностью до 630 кВт.
Преимуществом статических преобразователей над электромашинными является повышенная надежность из-за отсутствия вращающихся частей, высокий к.п.д. (90. 95%), легкое согласование с нагрузкой.
Ламповые генераторы применяют для индукционного и диэлектрического нагрева.
Для индукционного нагрева выпускают ламповые генераторы с частотой 200. 1000 кГц, а для диэлектрического от 500 кГц и выше.
Нагревательные ламповые генераторы ТВЧ выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). Схемы этих генераторов принципиально не отличаются от радиотехнических, но более просты по устройству.
Ламповые генераторы для индукционного нагрева выпускают мощностью от 1,0 до 250 кВт и имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).
Для диэлектрического нагрева применяют только ламповые генераторы ТВЧ.
Ламповые генераторы для диэлектрического нагрева принципиально не отличаются от описанных ранее. Эти генераторы обычно выполняются по более сложным многоконтурным схемам, а, учитывая более высокую частоту и заметное влияние межэлектродных емкостей, обратные связи выполняют индуктивными. Рабочим конденсатором при этом служит конденсатор анодного контура.
Промышленные установки диэлектрического нагрева имеют индексацию ВЧД (высокочастотные диэлектрические) и выпускаются мощностью от 0,16 до 630 кВт.
Для сверхвысоких частот (СВЧ) используют специальные электронные приборы — магнетроны, в которых генерирование СВЧ (колебаний выше 50. 100 МГц) осуществляется модуляцией электронного потока не по амплитуде, как у генераторных ламп, а по скорости.

Рис. 17.6. Анодный блок магнетрона.

В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Анодный блок магнетрона (рис. 17.6) помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона, а между анодом и катодом подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле.
В результате этого вырванные из катода электроны под действием магнитного поля отклоняются от радиальной траектории и, пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, возбуждают в них СВЧ-колебания.
Энергию из магнетрона выводят при помощи индуктивной петли (помещенной в один или чаще два соседних резонатора) и коаксильного кабеля.
Нагрев диэлектриков и полупроводников токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения, объемных резонаторах, либо непосредственно излучением электромагнитной волны на объект нагрева.
Простота устройства магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью объемного нагрева открывают большие перспективы применения токов СВЧ в сельском хозяйстве.

Сущность метода нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем; его недостатки. Электронная, ионная, ориентационная поляризация атомов. Виды высокочастотного диэлектрического нагрева. Принципиальная схема магнетрона.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	отчет по практике
Язык	русский
Дата добавления	09.09.2018
Размер файла	670,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Федеральное государственное автономное

“СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”

Электрические станции и электроэнергетические системы

ОТЧЕТ О ПРАКТИКЕ

Красноярский металлургический завод

место прохождения практики

Руководитель от предприятия Майнашев А. П.

Особенности диэлектрического нагрева

Преимущества и недостатки метода

Применение диэлектрического нагрева

Физические основы диэлектрического нагрева

Установки диэлектрического нагрева

Электроснабжение установок диэлектрического нагрева

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Перед тем как перейти к основной части данной темы, дадим определение тому, что такое диэлектрический нагрев. Диэлектрический нагрев -- метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем. Если поле изменяется со сверхвысокой (СВЧ) частотой (в диапазоне 0,4 -- 10 ГГц), то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 -- 100 кГц, то -- ТВЧ нагрев (нагрев токами высокой частоты). ТВЧ нагрев диэлектриков проводят в конденсаторах, а СВЧ нагрев -- в волноводах и объемных резонаторах. Так как глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот), то на ТВЧ как правило глубина прогрева значительно больше, чем на СВЧ. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от двух других, физически возможных способов нагрева -- кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом, например) является объемность тепловыделения в нагреваемой диэлектрической среде. Диэлектрический нагрев -- объемный нагрев, однако не обязательно однородный. Если глубина проникновения больше толщины прогреваемого слоя, что обычно характерно для ТВЧ нагрева, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми.

Кроме того, если прогреваемый объект своими размерами превышает длину волны поля в среде нагреваемого объекта, то в нём, в силу волнового характера поля, возникает картина стоячих волн, что тоже приводит к неоднородности нагрева.

ОСОБЕННОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

· 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.

· 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 КПД конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают.

· . 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.

· 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.).

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

· Чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т. п.

· Высокая скорость разогрева.

· Выделение тепла идет во всем объёме заготовки, что важно для диэлектриков, обладающих плохой теплопроводностью.

· При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это позволяет увеличить КПД данного метода в сравнении с конвекционным.

· Сложность оборудования обычно более высока по сравнению с оборудованием для других методов нагрева. Ремонт и настройка требует квалифицированного персонала.

· Необходима электроэнергия, отсутствующая в полевых условиях.

· Высокая стоимость оборудования.

ПРИМЕНЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства:

· Сушка керамики, древесины (в том числе для производства музыкальных инструментов).

· Сушка клеевых швов.

· Разогрев почвы перед землеройными работами.

· Разогрев и приготовление пищи.

· Нагрев диэлектриков и полупроводниковых материалов при получении синтетических материалов из пресс-порошков.

· Сушка и дезинсекция различных продуктов сельского хозяйства

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА

Применение электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева. Ему присущи следующие преимущества перед другими способами нагрева: большая скорость и равномерность нагрева, высокая производительность процесса. Диэлектрический нагрев является наиболее эффективным ? при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

Высокочастотный нагрев позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость применяемых установок.

Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают на себе механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно заряженные - в другую. Тогда центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают, и во внешнем пространстве такая молекула ведет себя как диполь, т. е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и -q, смещенных друг относительно друга на расстояние l (рис. 1, а). Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным.

Произведение заряда частицы на смещение l называют электрическим моментом диполя (Кл·м): m = ql. Последний связан с напряженностью электрического поля Е соотношением

т = бЕ,

где б ? мера упругой деформации молекулы или атома ? их поляризуемость.

Различают электронную, ионную и ориентационную поляризацию атомов.

Электронная поляризация атомов (рис. 1, а) вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента. Время собственных колебаний электронов составляет 10?14-10?15 с, за это же время устанавливается электронная поляризация.

Ионная поляризация молекул (рис. 1, а) вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na+ и С1- в поваренной соли). Период собственных колебаний решетки составляет 10?12-10?13 с. Время ионной упругой поляризации ? того же порядка.

Ориентационная поляризация (рис. 1, б) имеет место в диэлектриках с молекулами, имеющими жесткие диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. Поляризация проявляется лишь в частичном повороте и упорядочении диполей под влиянием внешнего электрического поля.

Диэлектрик поляризуется не только в постоянном, но и в переменном электрическом поле. В этом случае направление поляризации меняется с частотой поля, упругие диполи вибрируют, жесткие поворачиваются в прямом и обратном направлениях. Происходит и перемещение зарядов, т. е. через диэлектрик протекает электрический ток. При расположении диэлектрика между обкладками конденсатора, на которые подано напряжение от высокочастотного генератора, электрическая цепь замкнется через этот генератор.

Рис. 1. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле: а - электронная и ионная; б - ориентационная

Поляризация вызывает потери энергии ввиду трения между молекулами (потери трения) и перемещения диполей (дипольные потери).

Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется частотой изменения поля. Потери при поляризации приводят к запаздыванию смещения молекул по отношению к внешнему полю. С ростом частоты такое отставание увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты приводит к уменьшению поляризации, что ведет к резкому снижению диэлектрической проницаемости вещества. При отсутствии потерь ток опережает напряженность поля на угол д = 90°. Если поляризация сопряжена с потерями и несколько запаздывает, ток опережает напряженность на угол и

Основой диэлектрического нагрева является быстрое и равномерное выделение теплоты при прохождении тока через диэлектрик или полупроводник, помещенный в переменное электрическое поле. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

По технологическим признакам установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида. Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сварка пластмасс и полимерных плёнок; обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звука и теплоизоляционных материалов; сушка волокон шерсти или хлопка, целлюлозы.

Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризация клеев, нагрев каучука и т.д.

В установках третьего вида проводятся процессы, не требующее быстрого и однородного нагрева: обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая, размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд.

Использование высокочастотного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве значительную экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования.

Принцип работы диэлектрической установки заключается в следующем. Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну строну, а отрицательные – в другую. В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т.е. как система двух равных, но противоположных зарядов + q и – q, смещенных друг от друга на расстояние ℓ (рис. 1.26).

Рис.1.26. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле: а – поляризация атомов; б – ориентационная поляризация

Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным. Произведение заряда частиц на смещение ℓ называют электрическим моментом диполя

который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением

где λ - мера упругой деформации молекулы или атома – их поляризуемость.

Различают несколько видов поляризации. Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента (рис. 1.26,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10 –14 – 10 –15 с. за это же время устанавливается электронная поляризация.

Ионная поляризация молекул вызвана yпpугим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na + и С1¯ в поваренной соли). Период собственных колебаний решетки составляет 10 –12 – 10 –13 с. Время упругой ионной поляризации такого же порядка.

Ориентационная поляризация имеет место в диэлектриках с молекулами, представляющими собой жесткие диполи, независимо от наличия внешнего электрического поля. Поляризация проявляется в частичном повороте и упорядочении диполей под влиянием внешнего электрического поля. Это поляризация упругого смещения, возникающая в твердых или жидких диэлектриках, полярные молекулы которых связаны друг с другом так, что под действием электрического поля могут поворачиваться лишь на небольшой угол.

Поляризация диэлектрика происходит не только в постоянном, но и в переменном электрическом поле. В этом случае направление поляризации меняется с частотой поля, упругие диполи вибрируют, жесткие поворачиваются в прямом и обратном направлении. Происходит перемещение зарядов, т.е. через диэлектрик проходит электрический ток. При расположении диэлектрика между обкладками конденсатора, на которое подано напряжение от высокочастотного генератора, цепь тока замкнётся через этот генератор.

Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными трением между молекулами (потери трением) и перемещением диполей (дипольные потери). Потери энергии выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника, скорость которого определяется, в частности, частотой изменения поля. Потери при поляризации приводят к запаздыванию смещения молекул по отношению к внешнему полю. С ростом частоты изменения поля отставание смещения увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты электрического поля из-за вязкости среды привадит к обратному результату - уменьшению поляризации, что ведет к резкому снижению диэлектрической проницаемости вещества. При отсутствии потерь ток опережает напряжение на угол 90 о . Если поляризация сопровождается потерями и несколько запаздывает, ток опережает напряженность на угол, меньше 90 о . Разность δ – θ (рис.1.27) характеризует потери в диэлектрике и называется углом диэлектрических потерь.

Рис. 1.27. Векторная диаграмма токов в диэлектрике в переменном электрическом поле

Происходящие в диэлектрике, помешенном в переменное электрическое поле, процессы определяются диэлектрической проницаемостью

Вещественная часть комплекса ε' характеризует отношение емкости конденсатора до и после введения в него диэлектрика - относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Мнимая часть характеризует поглощение энергии поля диэлектрика.

Проходящий через конденсатор с диэлектриком ток имеет две составляющие: ток смещения I_см = j×ω×C×U и ток проводимости I_n = g×U. Полный ток, проходящий через диэлектрик

Отношение тока проводимости к току смещенияния также определяет коэффициент потерь в диэлектрике. Показатели ε и tg(δ) зависят от рода и физического состояния вещества (влажность, температура), а также от частоты поля. Их зависимость от частоты поля показана па рис. 1.28. Величина tg(δ) имеет максимум при так называемой релаксационной частоте f₀, характерной для каждого материала.

Рис. 1.28. 3ависимость ε и tg(δ) от частоты изменения электрического поля

Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из векторной диаграммы:

P×U×I×cos(φ) ≈ U×I×tg(δ) = ω×C×U 2 ×tg(δ), (1.36)

где, ω = 2∙π·f – угловая скорость, ;

С – емкость плоского конденсатора, Ф;

(S – площадь пластин конденсатора, м 2 ;

d – расстояние между ними, м;

ε₀ = 8,85·10 –12 – диэлектрическая проницаемость вакуума).

Имея в виду, что объем диэлектрика равен S×d и напряженность электрического поля , определяем мощность , выделяющуюся в единице объема диэлектрика,

Р_о = 5,56×10 –11 ×f×Е 2 ×ε×tg(δ). (1.37)

Проводимая удельная мощность Р_о расходуется на нагрев материала, испарение влаги или других летучих компонентов. При затратах теплоты только на нагрев удельная мощность, поступающая в материал, должна соответствовать

где СР – удельная теплоёмкость материала ; γ – плотность материала, ; – скорость нагрева материала, ; η_t – термический КПД процесса, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

При затратах теплоты только на испарение

где L – скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, ; – скорость испарения,

Из анализа уравнений (1.32) и (1.39) следует; что мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяется только его электрическими параметрами ε и tg(δ) и параметрами поля: напряженностью и частотой. Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектрика, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом: диэлектрического нагрева, позволяющего значительно ускорить процесс нагрева материала по сравнению с другими видами нагрева.

Установки диэлектрического нагрева подразделяются на два типа: высокочастотные ВЧ-установки – частота от 66 кГц до 100 МГц и сверхвысокочастотные СВЧ-установки – частота 1000 МГц и выше. Последние установки применяют при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов. Выбор рабочих параметров установки определяется физическими свойствами нагреваемого материала. Одним из условий равномерного нагрева по всему объему однородного материала является превышение глубины проникновения электромагнитной волны в материал под его толщиной. Глубина проникновения Δ (см) определяет расстояние, на котором напряженность электрического поля ослабевает в е раз относительно ее значения на поверхности

Большинство материалов, нагреваемых в поле конденсаторов, неоднородно по своей структуре. Для материалов слоистой структуры, в которых каждый слой отличается от другого значением относительной диэлектрической проницаемости (ε₁ и ε₂) и толщиной (d₁ и d₂), при направлении поля вдоль слоев среднее значение

При направлении поля поперек слоев

При увеличении числа слоев в числителе и знаменателе (1.40) и (1.41) соответственно увеличивается число слагаемых. Напряженность электрического поля в конденсаторе не является также постоянной. В простейшем случае, когда материал по своей структуре однороден и отсутствует зазор между ними и пластинами конденсатора, напряжение, приложенное к материалу U_M, равно Напряжению, подводимому к рабочему конденсатору U_pк. (рис.1.29. а, в). Напряженность электрического поля в материале плоского конденсатора (рис.1.29, а) .

Рис.1.29. Схемы рабочих конденсаторов установок диэлектрического нагрева

Материал в этом случае нагревается равномерно, поскольку удельная мощность выделяется по всему объему одинаково.

Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис.1.29, в), то U_M = U_рк, а напряженность электрического поля в заданной точке материала

где R – расстояние от центра до заданной точки.

Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис.1.29, б, г), то для плоского конденсатора

Для коаксиального конденсатора (рис. 1.30, г)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость данного слоя или ее среднее значение для ряда слоев нагреваемого материала.

Допустимая напряженность поля в воздушном зазоре определяется величиной пробивной напряженности Е_пр. При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем Е_пр большинства нагреваемых материалов. На практике при процессах сушки с выделением водяных паров или других летучих продуктов напряженность поля в воздушном зазоре не должна превышать 1,0-1,5, в других процессах нагрева она может достигать 5,0,

Допустимую напряженность поля в материале Е_{м доп} принимают в два раза меньше пробивной напряженности этого материала . Выбрав допустимую величину напряженности поля в материале Е_м определяют рабочую частоту тока (Гц) при нагреве и сушке материала соответственно:

В комплект установок диэлектрического нагрева входят высокочастотный генератор, система защиты и сигнализации, технологический узел.

Конструкция технологического узла определяется в основном родом и видом нагреваемого материала. Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий 2 и порошкообразных материалов 4 показаны на рис.1.30, а, б. При диэлектрическом нагреве температура внутри нагреваемого материала выше, чем в поверхностных слоях, с которых происходит удаление влаги. Совместное влияние градиентов давления, влагосодержания и температуры способствует высокой производительности сушки с использованием высокочастотного нагрева. На рис.1.30, в показана схема технологического узла для изготовления изделий 2 из пенопласта. При формировании различных видов изделий исходное сырье помещается в формы, рабочие полости которых повторяют конфигурацию изделия.

Рис. 1.30. Схемы технологических установок: 1 – обкладки конденсаторов;

2 – изделие; 3 – бункер; 4 – материал; 5 – контейнер; 6 – плита, передающая усилие; 7 – пуансон; 8 – поток жидкости; 9 – трубка стеклянная; 10 – трубка резиновая; 11 – волновод; 12 – поток излучения

Существуют установки диэлектрического нагрева для термообработки пористых резин, термообработки деталей и нагрев заготовок перед штамповкой, обработки сельхозпродуктов и т.д. Применяемые установки диэлектрического нагрева по рабочим частотам условно подразделяют на установки средневолнового (f = 0,3-3,0 МГц), коротковолнового (f = 3-30 МГц) и метрового (f = 30-300 МГц) диапазона. Первые из них применяются для нагрева материалов с большим фактором потерь ε tg(δ), к которым относятся очень влажные элементы при их относительно небольших габаритах. Коротковолновые установки применяются для нагрева материалов со средним значением фактора потерь. Они удобны при работе с воздушным зазором и для осуществления методического нагрева. Сушка в них с испарением длится в течение нескольких часов, без испарения - доли часа.

Установки метрового диапазона применяются для нагрева материалов с малым значением фактора потерь ε tg(δ). Объем рабочей камеры невелик, время нагрева - секунды, могут работать с воздушным зазором.

Особенностью установок сверхвысокой частоты является соизмеримость геометрических размеров колебательных систем с длиной волны используемых колебаний. Колебательная система автогенератора объединена с генераторной лампой в один вакуумированный блок. Нагрев в электромагнитном поле осуществляется электромагнитным лучом в волноводе или резонаторе. При нагреве электромагнитным лучом нагреваемое тело находится под воздействием электромагнитного луча, излучаемого рупорной антенной, которой заканчивается волновод. Нагрев в волноводе осуществляется бегущей волной и применяется при термообработке листовых материалов, жгутов, лент, жидкостей (рис.1.30, г). В объемных резонаторах нагреваются предметы произвольной формы.

В установках СВЧ-нагрева напряженность электрического поля меньше, чем в установках метрового диапазона, что снижает опасность электрического пробоя. В таких установках производится нагрев материалов с низким фактором потерь – продуктов, слоистых материалов, медицинских препаратов и т.д.

Диэлектрический нагрев - объемный нагрев,однако не обязательно однородный. Если толщина прогреваемого слоя больше глубины проникновения, что обычно характерно для ТВЧ нагрева, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми. Кроме того, если прогреваемый объект своими размерами превышает длину волны поля в среде нагреваемого объекта, то в нем, в силу волнового характера поля, возникает картина стоячих волн, что тоже приводит к неоднородности нагрева.

Содержание

Описание

Диэлектрический нагрев, в ТВЧ диапазоне, проводится следующим образом. Заготовка из диэлектрического материала (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора. На конденсатор от специального мощного генератора подается напряжение высокой частоты (от 5 МГц и выше). Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает заготовку.

Преимущества

Чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т.п.
Высокая скорость разогрева.
Выделение тепла идет во всем объеме заготовки, что важно для диэлектриков, обладающих плохой теплопроводностью.

Недостатки

Сложность оборудования обычно более высока по сравнению с оборудованием для других методов нагрева. Ремонт и настройка требует квалифицированного персонала.
Необходима электроэнергия, отсутствующая в полевых условиях.

Применение

Сушка керамики, древесины (в т.ч. для производства музыкальных инструментов).
Сварка пластмасс.
Сушка клеевых швов.
Разогрев почвы перед землеройными работами.
Разогрев и приготовление пищи.

Установки диэлектрического нагрева

По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).

На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.

В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками.

Диэлектрический нагрев - метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем. Если поле изменяется со сверхвысокой (СВЧ) частотой (в диапазоне 0,4 - 10 ГГц), то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 - 100 кГц, то - ТВЧ нагрев (нагрев токами высокой частоты). ТВЧ нагрев диэлектриков проводят в конденсаторах, а СВЧ нагрев - в волноводах и объемных резонаторах. Т.к. глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот), то на ТВЧ как правило глубина прогрева значительно больше, чем на СВЧ. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от нагрева кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом например) является объемное тепловыделение в нагреваемой диэлектрической среде. Диэлектрический нагрев - объемный нагрев,однако не обязательно однородный. Если толщина прогреваемого слоя меньше глубины проникновения, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми.

Содержание

Описание метода

Диэлектрический нагрев проводится следующим образом. Заготовка из диэлектрического материала (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора. На конденсатор от специального мощного генератора подается напряжение высокой частоты (от 5 МГц и выше). Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает заготовку.

Преимущества

Чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т.п.

Высокая скорость разогрева.

Выделение тепла идет во всем объеме заготовки, что важно для диэлектриков, обладающих плохой теплопроводностью.

Недостатки

Сложность оборудования обычно более высока по сравнению с оборудованием для других методов нагрева. Ремонт и настройка требует квалифицированного персонала.

Необходима электроэнергия, отсутствующая в полевых условиях.

Применение

Сушка керамики, древесины (в т.ч. для производства музыкальных инструментов).

Сварка пластмасс.

Сушка клеевых швов.

Разогрев почвы перед землеройными работами.

Разогрев и приготовление пищи.

Установки диэлектрического нагрева

В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками.

См. также

Литература

Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, 2 изд., М. — Л., 1959.
Высокочастотная электротермия. Справочник, М. — Л., 1965.
Брицын Н. Л. Нагрев в электрическом поле высокой частоты, 3 изд., М. — Л., 1965.
Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля. — 1977. — Вып. 5. — С.26-30

Электротехника
Электроника
Теплотехника

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Диэлектрический нагрев" в других словарях:

диэлектрический нагрев — Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации. [ГОСТ 16382 87] Тематики электротермическое оборудование EN dielectric heating DE dielektrische Erwärmung FR chauffage (par histérésis) diélectrique … Справочник технического переводчика

диэлектрический нагрев — dielektrinis kaitinimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dielectric heating vok. Dielektrikerhitzung, f; dielektrische Erhitzung, f; dielektrische Heizung, f rus. диэлектрический нагрев, m pranc. chauffage diélectrique, m … Fizikos terminų žodynas

Диэлектрический нагрев — 15. Диэлектрический нагрев D. Dielektrische Erwarmung E. Dielectric heating F. Chauffage (par histeresis) dielectrique Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации Источник: ГОСТ 16382 87: Оборудование… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Диэлектрический нагрев — нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле. При наложении переменного электрического поля в диэлектриках появляется ток смещения, вызванный их поляризацией, и ток проводимости, обусловленный наличием в диэлектрике свободных… … Большая советская энциклопедия

Нагрев — Нагрев искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство … … Википедия

Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при И. н., зависит от размеров и физических свойств проводника (удельного электрического… … Большая советская энциклопедия

Высокочастотный нагрев — нагрев токами высокой частоты (свыше 10 кгц); см. Диэлектрический нагрев, Индукционный нагрев … Большая советская энциклопедия

Индукционный нагрев — (Induction Heating) метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH radio frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов. Содержание 1 Описание метода 2 Применение … Википедия

ГОСТ 16382-87: Оборудование электротермическое. Термины и определения — Терминология ГОСТ 16382 87: Оборудование электротермическое. Термины и определения оригинал документа: 86. Аккумулированная энергия электропечи Тепловая энергия, аккумулированная незагруженной электропечью при разогреве ее от температуры… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Электротермия — (от Электро. и греч. thérme жар, тепло) прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую; отрасль электротехники, осуществляющая проектирование, изготовление и эксплуатацию электротермических установок;… … Большая советская энциклопедия

Читайте также: