電介質加熱

什麼是介電加熱

電介質加熱是指電介質和半導體在交變電場的影響下被加熱的材料被極化的加熱。極化是相關電荷位移的過程，導致在每個宏觀體積元素處出現電矩。

極化分為彈性和鬆弛：彈性（無慣性）決定電場的能量，鬆弛（慣性）決定被加熱物質釋放的熱量。在由外部電場引起的弛豫極化中，完成了克服原子、分子、帶電複合物的內部鍵（“摩擦”）的力的工作。這項工作的一半轉化為熱量。

電介質中釋放的功率通常指的是體積單位，計算公式為

其中 γ 是材料的複共軛電導，EM 是材料中的電場強度。

複雜傳導

這裡，εr 是總複數介電常數。

ε' 的實部稱為介電常數，會影響材料中可儲存的能量。 ε « 的虛部，稱為損耗因子，是材料中耗散的能量（熱量）的量度。

損耗因子考慮了由於極化電流和漏電流而在材料中耗散的能量。

實際上，計算使用稱為損耗角正切的值：

損耗角的正切決定了加熱消耗的能量與儲存的電磁振盪能量之比。

考慮到上述情況，體積比有功功率 W / m3：

或者

因此，比體積功率與加熱材料中電場強度的平方、頻率和損耗因子成正比。

加熱材料中的電場強度取決於施加的電壓、介電常數ε'、形成電場的電極的位置和形狀。對於實踐中一些最常見的情況，電極的位置、電場強度是通過圖 1 中所示的公式計算的。

米。 1、對電場強度的計算：a——圓柱形電容器，b——平面單層電容器，c、d——平面多層電容器，分別在橫向和沿電場排列多層材料.

需要注意的是，Em 的極限最大值受加熱材料的電氣強度限制。電壓不應超過擊穿電壓的一半。穀物和蔬菜作物種子的容量範圍為 (5 ... 10) 103 V / m，木材 — (5 ... 40) 103 V / m，聚氯乙烯 — (1 ... 10) 105 V / m。

損耗係數 ε « 取決於材料的化學成分和結構、溫度和水分含量，以及材料中電場的頻率和強度。

材料的介電加熱特性

電介質加熱用於各種工業和農業。

電介質加熱的主要特點如下。

1. 熱量在被加熱​​的材料本身釋放，可以使加熱速度提高數十倍、數百倍（與對流加熱相比），這對於導熱係數低的材料（木材、糧食、塑料等）尤為明顯。 ).

2. 電介質加熱是選擇性的：比體積功率不同，相應地，非均質材料的每個組分的溫度也不同。此功能用於農業，例如消毒穀物和醃製蠶，

3、介電乾燥時，物料內部放熱，因此中心溫度高於周邊。材料內部的水分從濕變乾，從熱變冷。因此，在對流乾燥過程中，材料內部的溫度低於外圍溫度，並且由於溫度梯度導致的水分流動阻止了水分移動到表面。這大大降低了對流乾燥的有效性。在介電乾燥中，由於溫差和水分含量導致的水分通量一致。這是介電乾燥的主要優點。

4. 在高頻電場中加熱乾燥時，損耗係數降低，熱流功率相應降低。要將功率保持在所需水平，您需要更改提供給電容器的頻率或電壓。

電介質加熱裝置

該行業既生產用於對一種或多種產品進行熱處理的專用高頻設備，也生產一般用途的設備。儘管存在這些差異，但所有高頻裝置都具有相同的結構圖（圖 2）。

材料在高頻器件的工作電容中被加熱 1. 高頻電壓通過中間振盪電路塊提供給工作電容 2，設計用於功率調節和發生器調節 3. 燈發生器轉換從半導體整流器4接收到的直流電壓為高頻交流電壓。同時，從整流器接收的所有能量中至少有 20 ... 40% 用於燈發生器。

大部分能量在燈的陽極處損失，必須用水冷卻。燈的陽極相對於大地提供 5 … 15 kV，因此冷卻水的隔離供應系統非常複雜。變壓器 5 旨在將網絡電壓增加到 6 ... 10 kV 並斷開發電機與電網之間的導電連接。塊 6 用於打開和關閉安裝、順序執行技術操作和防止緊急模式。

電介質加熱裝置在發電機的功率和頻率、為移動和保持加工材料而設計的輔助設備的結構以及對其的機械衝擊方面各不相同。

米。 2. 高頻裝置框圖：1 - 帶有負載電容器的高頻器件，2 - 帶有功率調節器、微調電容和電感的中間振盪電路塊，3 - 陽極和網絡分離的燈發生器電路，4 — 半導體整流器：5 — 升壓變壓器，c — 阻止安裝免受異常操作模式的影響。

該行業生產大量用於各種用途的高頻裝置。對於產品的熱處理，使用系列高頻發生器，為此製造專用設備。

選擇使用電介質加熱的發電機歸結為確定其功率和頻率。

高頻發生器的振盪功率 Pg 必須大於材料熱處理所需的熱流 Ф 工作電容器和中間振盪電路塊中的損耗值：

其中ηk為工作電容器的效率，取決於傳熱面的面積、傳熱係數和材料與介質的溫差ηk = 0.8 ... 0.9，ηe為電效率振盪電路 ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl — 效率，考慮到高頻連接線的損耗 ηl = 0.9 ... 0.95。

發電機從電網消耗的功率：

這裡 ηg 是發電機效率 ηg = 0.65 … 0.85。

高頻裝置的總效率由其所有單元的效率乘積決定，等於0.3……0.5。

如此低的效率是阻礙電介質加熱在農業生產中廣泛應用的重要因素。

高頻裝置的能源性能可以通過使用發電機散發的熱量來提高。

加熱電介質和半導體時電流的頻率是根據所需的熱流F來選擇的。在農產品的熱處理中，比容流量受允許的加熱和乾燥速率的限制。從工作電容器中的力平衡我們有

其中 V 是加熱材料的體積，m3。

工藝過程以給定速度發生的最低頻率：

其中Emax為材料中允許的最大電場強度，V/m。

隨著頻率的增加，Em 降低，因此工藝過程的可靠性增加。但是，增加頻率有一些限制。如果丟失率急劇下降，則增加頻率是不切實際的。此外，隨著頻率的增加，負載和發電機的參數匹配變得越來越困難。提供本協議的最大頻率，Hz：

其中 L 和 C 是具有工作電容器的負載電路的電感和電容的最小可能等效值。

由於工作電容器的線性尺寸較大，頻率的增加會導致電極上的電壓分佈不均勻，從而導致加熱不均勻。此條件下的最大允許頻率 Hz

其中 l 是工作電容器的最大極板尺寸，m。