חימום דיאלקטרי

מהו חימום דיאלקטרי

חימום דיאלקטרי מתייחס לחימום של דיאלקטריים ומוליכים למחצה בשדה חשמלי מתחלף שבהשפעתו מקוטב החומר המחומם. קיטוב הוא תהליך של תזוזה של מטענים קשורים, המוביל להופעת מומנט חשמלי בכל אלמנט נפח מקרוסקופי.

הקיטוב מתחלק לאלסטי ולרפיה: אלסטי (ללא אינרציה) קובע את האנרגיה של השדה החשמלי, והרפיה (אינרציאלית) קובעת את החום המשתחרר בחומר המחומם. בקיטוב הרפיה על ידי שדה חשמלי חיצוני, נעשית עבודה כדי להתגבר על כוחות הקשרים הפנימיים ("חיכוך") של אטומים, מולקולות, קומפלקסים טעונים. מחצית מהעבודה הזו מומרת לחום.

ההספק המשתחרר בדיאלקטרי מתייחס בדרך כלל ליחידת נפח ומחושב לפי הנוסחה

כאשר γ הוא המוליכה המצומדת המורכבת של החומר, EM הוא חוזק השדה החשמלי בחומר.

הולכה מורכבת

כאן, εr הוא הקבוע הדיאלקטרי הכולל המורכב.

החלק האמיתי של ε', הנקרא הקבוע הדיאלקטרי, משפיע על כמות האנרגיה שניתן לאגור בחומר. החלק הדמיוני של ε «, הנקרא גורם ההפסד, הוא מדד לאנרגיה (חום) המתפזרת בחומר.

גורם ההפסד לוקח בחשבון את האנרגיה המתפזרת בחומר הן עקב קיטוב והן מזרמי דליפה.

בפועל, חישובים משתמשים בערך הנקרא משיק זווית ההפסד:

הטנגנס של זווית ההפסד קובע את היחס בין האנרגיה המושקעת בחימום לאנרגיה האצורה של תנודות אלקטרומגנטיות.

בהתחשב באמור לעיל, ההספק הפעיל הספציפי הנפחי, W / m3:

אוֹ

לפיכך, הספק הנפח הספציפי הוא פרופורציונלי לריבוע של עוצמת השדה החשמלי בחומר המחומם, לתדירות ולגורם ההפסד.

חוזק השדה החשמלי בחומר המחומם תלוי במתח המופעל, בקבוע הדיאלקטרי ε ', במיקום ובצורה של האלקטרודות היוצרות את השדה. עבור כמה מהמקרים הנפוצים ביותר בפועל, מיקום האלקטרודות, חוזק השדה החשמלי מחושב לפי הנוסחאות המוצגות באיור 1.

אורז. 1. לחישוב עוצמת השדה החשמלי: a — קבל גלילי, b — קבל חד שכבתי שטוח, c, d — קבל רב שכבתי שטוח עם סידור שכבות של חומרים, בהתאמה, ברוחבי ולאורך השדה החשמלי .

יש לציין שהערך המרבי המגביל של Em מוגבל על ידי החוזק החשמלי של החומר המחומם. המתח לא יעלה על מחצית ממתח התמוטטות.הקיבולת של זרעים של גידולי תבואה וירקות נלקחת בטווח (5 ... 10) 103 V / m, עבור עץ - (5 ... 40) 103 V / m, פוליוויניל כלוריד - (1 ... 10 ) 105 V / m.

מקדם ההפסד ε « תלוי בהרכב הכימי ובמבנה החומר, בטמפרטורה ובתכולת הלחות שלו, בתדירות וחוזק השדה החשמלי בחומר.

מאפייני חימום דיאלקטרי של חומרים

חימום דיאלקטרי משמש בתעשיות שונות ובחקלאות.

המאפיינים העיקריים של חימום דיאלקטרי הם כדלקמן.

1. בחומר המחומם עצמו משתחרר חום מה שמאפשר להאיץ את החימום בעשרות ומאות מונים (לעומת חימום הסעה) הדבר בולט במיוחד לחומרים בעלי מוליכות תרמית נמוכה (עץ, תבואה, פלסטיק וכו'. ).

2. חימום דיאלקטרי הוא סלקטיבי: ההספק הנפחי הספציפי ובהתאם לכך, הטמפרטורה של כל רכיב של חומר לא הומוגני שונה. פונקציה זו משמשת בחקלאות, למשל בחיטוי דגנים ובחמצת תולעי משי,

3. במהלך ייבוש דיאלקטרי משתחרר חום בתוך החומר ולכן הטמפרטורה במרכז גבוהה יותר מאשר בפריפריה. הלחות בתוך החומר נעה מרטוב ליבש ומחם לקר. אז, במהלך ייבוש הסעה, הטמפרטורה בתוך החומר נמוכה יותר מאשר בפריפריה, וזרימת הלחות עקב שיפוע הטמפרטורה מונעת מלחות לעבור אל פני השטח. זה מפחית מאוד את האפקטיביות של ייבוש הסעה. בייבוש דיאלקטרי, שטפי הלחות עקב הפרש הטמפרטורה ותכולת הלחות חופפים.זהו היתרון העיקרי של ייבוש דיאלקטרי.

4. בחימום וייבוש בשדה חשמלי בתדירות גבוהה יורד מקדם ההפסד ובהתאם גם עוצמת זרם החום. כדי לשמור על הכוח ברמה הנדרשת, עליך לשנות את התדר או המתח המסופקים לקבל.

מתקני חימום דיאלקטרי

התעשייה מייצרת הן מתקנים מיוחדים בתדירות גבוהה המיועדים לטיפול בחום של סוג אחד או מספר מוצרים, והן מתקנים לשימוש כללי. למרות הבדלים אלה, לכל המתקנים בתדר גבוה יש את אותה דיאגרמה מבנית (איור 2).

החומר מחומם בקבל העבודה של התקן בתדר גבוה 1. המתח בתדר גבוה מסופק לקבל העבודה דרך בלוק של מעגלי נדנוד ביניים 2, המיועד לוויסות הספק וויסות הגנרטור 3. מחולל המנורה ממיר את מתח ישיר המתקבל ממיישר המוליך למחצה 4, במתח חילופין בתדר גבוה. במקביל, לפחות 20 ... 40% מכל האנרגיה המתקבלת מהמיישר מושקעת במחולל המנורה.

רוב האנרגיה אובדת באנודה של המנורה, אותה יש לקרר על ידי מים. האנודה של המנורה מסופקת ביחס לאדמה 5 ... 15 קילו וולט, ולכן מערכת האספקה ​​המבודדת של מי קירור מורכבת מאוד. שנאי 5 נועד להעלות את מתח הרשת ל-6 ... 10 קילו וולט ולנתק את החיבור המוליך בין הגנרטור לרשת החשמל. בלוק 6 משמש להפעלה וכיבוי של המתקן, ביצוע פעולות טכנולוגיות ברצף והגנה מפני מצבי חירום.

מתקני חימום דיאלקטרי נבדלים זה מזה בהספק ובתדירות של הגנרטור, בבניית ציוד עזר המיועד להנעה והחזקה של החומר המעובד וכן להשפעה מכנית עליו.

אורז. 2. דיאגרמת בלוקים של המתקן בתדר גבוה: 1 - מכשיר בתדר גבוה עם קבל עומס, 2 - בלוק של מעגלים מתנודדים ביניים עם ווסת כוח, קיבולים ושראות גזם, 3 - מחולל מנורות עם הפרדת אנודות ורשת מעגלים, 4 - מיישר מוליכים למחצה: 5 - שנאי שלב, ג - בלוק המגן על המתקן מפני מצבי פעולה חריגים.

התעשייה מייצרת מספר רב של מתקנים בתדירות גבוהה למטרות שונות. לטיפול בחום של מוצרים, נעשה שימוש בגנרטורים טוריים בתדר גבוה, שעבורם מיוצרים מכשירים מיוחדים.

בחירת גנרטור לחימום עם דיאלקטרי מסתכמת בקביעת הספק ותדירות שלו.

הספק הנדנוד Pg של מחולל התדר הגבוה חייב להיות גדול מזרימת החום Ф הנחוצה לטיפול בחום של החומר לפי ערך ההפסדים בקבל העבודה ובגוש של מעגלי נדנוד הביניים:

כאשר ηk היא היעילות של קבל העבודה, בהתאם לשטח של משטח העברת החום, מקדם העברת החום והפרש הטמפרטורה בין החומר למדיום ηk = 0.8 ... 0.9, ηe היא היעילות החשמלית של המעגל המתנודד ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl - יעילות, תוך התחשבות בהפסדים בחוטי חיבור בתדר גבוה ηl = 0.9 ... 0.95.

כוח הנצרך על ידי הגנרטור מהרשת:

כאן ηg היא יעילות הגנרטור ηg = 0.65 … 0.85.

היעילות הכוללת של מתקן בתדר גבוה נקבעת על פי תוצר היעילות של כל היחידות שלו ושווה ל-0.3 ... ... 0.5.

יעילות נמוכה כזו היא גורם חשוב המונע שימוש נרחב בחימום דיאלקטרי בייצור חקלאי.

ניתן לשפר את הביצועים האנרגטיים של מתקנים בתדר גבוה על ידי שימוש בחום המופץ על ידי הגנרטור.

תדירות הזרם בעת חימום דיאלקטריים ומוליכים למחצה נבחרה על סמך זרימת החום הנדרשת F. בטיפול בחום של מוצרים חקלאיים, זרימת הנפח הספציפית מוגבלת על ידי קצב החימום והייבוש המותר. מאיזון הכוחות בקבל העבודה שיש לנו

כאשר V הוא נפח החומר המחומם, m3.

התדירות המינימלית שבה התהליך הטכנולוגי מתרחש במהירות נתונה:

כאשר Emax הוא חוזק השדה החשמלי המרבי המותר בחומר, V/m.

ככל שהתדירות עולה, Em פוחת ולכן מהימנות התהליך הטכנולוגי עולה. עם זאת, יש כמה מגבלות להגדלת התדירות. זה לא מעשי להגדיל את התדירות אם יחס ההפסד יורד בחדות. כמו כן, ככל שהתדירות עולה, קשה יותר ויותר להתאים את הפרמטרים של העומס והגנרטור. תדר מקסימלי, הרץ, שבו מסופק הסכם זה:

כאשר L ו-C הם הערכים המקבילים המינימליים האפשריים של השראות וקיבול של מעגל העומס עם קבל עובד.

עם ממדים ליניאריים גדולים של קבל העבודה, עלייה בתדירות עלולה להוביל לפיזור לא אחיד של המתח על האלקטרודה, ולכן, לחימום לא אחיד. התדר המרבי המותר, הרץ, עבור מצב זה

כאשר l הוא גודל הלוח הגדול ביותר של קבל העבודה, m.