Диэлектрический нагрев

Что такое диэлектрический нагрев

Под диэлектрическим нагревом понимается нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого нагреваемый материал поляризуется. Поляризация — это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.

Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая (безынерционная) обусловливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная)—теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей («трения») атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.

Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, обычно относят к единице объема и вычисляют по формуле

где γ — комплексно-сопряженная проводимость материала, ЕM — напряженность электрического поля в материале.

Здесь εr — полная комплексная диэлектрическая проницаемость.

Действительная часть ε’, называемая диэлектрической проницаемостью, влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале. Мнимая часть ε», называемая фактором потерь, является мерой энергии (теплоты), рассеиваемой в материале.

Фактор потерь учитывает энергию, выделяющуюся в материале как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости.

В практике расчетов используют величину, называемую тангенсом угла потерь:

Тангенс угла потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.

С учетом изложенного объемная удельная активная мощность, Вт/м3:

Таким образом, удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в нагреваемом материале, частоте и фактору потерь.

Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости ε’, расположения и формы электродов, образующих поле. Для некоторых наиболее часто встречающихся в практике случаев расположения электродов напряженность электрического поля рассчитывают по формулам, приведенным на рисунке 1.

Рис. 1. К расчету напряженности электрического поля: а — цилиндрический конденсатор, б — плоский однослойный конденсатор, в, г — плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала соответственно поперек и вдоль электрического поля.

Следует отметить, что предельное максимальное значение Ем ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Ем для семян зерновых и овощных культур принимается в пределах (5. 10) 103 В/м, для дерева—(5. 40) 103 В/м, поливинил-хлорида — (1. 10) 105 В/м.

Фактор потерь ε» зависит от химического состава и структуры материала, его температуры и влагосодержания, от частоты и напряженности электрического поля в материале.

Особенности диэлектрического нагрева материалов

Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем.

1. 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.).

2. 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,

3. 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 к. п. д. конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это — главное достоинство сушки с диэлектрическим нагревом.

4. 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.

Установки для диэлектрического нагрева

Промышленность выпускает как специализированные высокочастотные установки, предназначенные для термообработки одного или нескольких видов изделий, так и установки общего применения. Несмотря на эти различия, все высокочастотные установки имеют одинаковую структурную схему (рис. 2).

Материал нагревают в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемое от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20. 40 % всей энергии, получаемой от выпрямителя.

Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5. 15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6. 10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов.

Установки диэлектрического нагрева отличаются одна от другой мощностью и частотой генератора, конструкцией вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и удержания обрабатываемого материала, а также для механического воздействия на него.

Рис. 2. Структурная схема высокочастотной установки: 1 — высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором, 2 — блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями, 3 — ламповый генератор с анодно-разделительными и сеточными цепями, 4 — полупроводниковый выпрямитель: 5 — повышающий трансформатор, в — блок защиты установки от ненормальных режимов работы.

Промышленность выпускает большое число высокочастотных установок различного назначения. Для термообработки продукции используют серийные высокочастотные генераторы, к которым изготавливают специализированные приспособления.

Выбор генератора для диэлектрического нагрева сводится к определению его мощности и частоты.

Колебательная мощность Рг высокочастотного генератора должна быть больше теплового потока Ф, необходимого для термической обработки материала, на значение потерь в рабочем конденсаторе и блоке промежуточных колебательных контуров:

где ηк — к. п. д. рабочего конденсатора, зависящий от площади теплоотдающей поверхности, коэффициента теплоотдачи и разности температур между материалом и средой ηк =0,8. 0,9, ηэ — электрический к. п. д. колебательного контура ηэ = 0,65. 0,7, ηл — к. п. д., учитывающий потери в высокочастотных соединительных проводах ηл = 0,9. 0,95.

Мощность, потребляемая генератором из сети:

Здесь ηг — к. п. д. генератора ηг = 0,65. 0,85.

Столь малый к. п. д. — существенный фактор, сдерживающий широкое применение диэлектрического нагрева в сельскохозяйственном производстве.

Улучшить энергетические показатели высокочастотных установок можно, используя теплоту, рассеиваемую генератором.

Частоту тока при нагреве диэлектриков и полупроводников выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке сельскохозяйственных продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем

где V — объем нагреваемого материала, м3.

Минимальная частота, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью:

где Emах — максимально допустимая напряженность электрического поля в материале, В/м.

При увеличении частоты уменьшается Ем, а следовательно, и увеличивается надежность технологического процесса. Вместе с тем существуют некоторые ограничения на увеличение частоты. Повышать частоту нецелесообразно, если при этом фактор потерь резко уменьшается. Кроме того, с повышением частоты усложняется согласование параметров нагрузки и генератора. Максимальная частота, Гц, при которой это согласование обеспечивается:

где L и С—минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и емкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.

При больших линейных размерах рабочего конденсатора повышение частоты может привести к неравномерному распределению напряжения вдоль электрода, а следовательно, и неравномерному нагреву. Максимально допустимая частота, Гц, по этому условию

где l— наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Диэлектрический нагрев

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

Недостатки

Применение

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.

См. также

Литература

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

Источник

Диэлектрический нагрев, также известный как электронное отопление, радиочастотный обогрев, и высокочастотный нагрев, это процесс, в котором радиочастота (RF) переменное электрическое поле, или радиоволна или же микроволновая печь электромагнитное излучение нагревает диэлектрик материал. На более высоких частотах этот нагрев вызывается молекулярный диполь вращение внутри диэлектрика.

Содержание

Механизм

Вращение молекул происходит в материалах, содержащих полярные молекулы имея электрический дипольный момент, в результате чего они присоединятся к электромагнитное поле. Если поле колеблется, как в электромагнитной волне или в быстро колеблющемся электрическом поле, эти молекулы непрерывно вращаются, выравниваясь с ним. Это называется дипольным вращением или дипольной поляризацией. По мере смены поля молекулы меняют направление. Вращающиеся молекулы толкают, притягивают и сталкиваются с другими молекулами (посредством электрических сил), распределяя энергию между соседними молекулами и атомы в материале. Процесс передачи энергии от источника к образцу является формой радиационного нагрева.

Диэлектрический нагрев включает нагрев электроизоляционных материалов путем диэлектрические потери. Изменяющееся электрическое поле в материале вызывает рассеивание энергии, поскольку молекулы пытаются выровняться с постоянно меняющимся электрическим полем. Это изменяющееся электрическое поле может быть вызвано электромагнитной волной, распространяющейся в свободном пространстве (как в микроволновой печи), или быстро меняющимся электрическим полем внутри конденсатора. В последнем случае нет свободно распространяющейся электромагнитной волны, и изменяющееся электрическое поле можно рассматривать как аналог электрического компонента антенны. ближнее поле. В этом случае, хотя нагрев осуществляется за счет изменения электрического поля внутри емкостного резонатора на радиочастотах (RF), фактических радиоволны либо генерируются, либо поглощаются. В этом смысле эффект является прямым электрическим аналогом магнитная индукция нагрев, который также является эффектом ближнего поля (таким образом, без радиоволн). [ нужна цитата ]

На очень высоких частотах длина волны электромагнитного поля становится короче расстояния между металлическими стенками нагревательной полости или размеров самих стенок. Это случай внутри микроволновая печь. В таких случаях образуются обычные электромагнитные волны дальнего поля (резонатор больше не действует как чистый конденсатор, а скорее как антенна) и поглощаются, вызывая нагрев, но механизм тепловыделения с дипольным вращением остается прежним. Однако микроволны неэффективны при возникновении тепловых эффектов низкочастотных полей, которые зависят от более медленного движения молекул, например, вызванного ионным увлечением. [ нужна цитата ]

Мощность

Диэлектрический нагрев следует отличать от Джоулевое нагревание проводящих сред, вызванных наведенными в них электрическими токами. [2] Для диэлектрического нагрева плотность генерируемой мощности на единицу объема определяется как: [ нужна цитата ]

Если проводимость σ материала малая или частота высокая, так что σ ≪ ωε (с ε = ε_р″ · ε₀ ), то диэлектрический нагрев является доминирующим механизмом потери энергии электромагнитным полем в среду. [ нужна цитата ]

Проникновение

Микроволновые частоты проникают через проводящие материалы, в том числе полутвердые вещества, такие как мясо и живая ткань. Проникновение по существу прекращается там, где вся проникающая микроволновая энергия в ткани преобразуется в тепло. Микроволновые печи, используемые для нагрева пищи, не настроены на частоту, обеспечивающую оптимальное поглощение водой. Если бы это было так, то рассматриваемый кусок пищи или жидкости поглотил бы все микроволновое излучение своим внешним слоем, что привело бы к холодному, ненагретому центру и перегретой поверхности. Вместо этого выбранная частота позволяет энергии проникать глубже в нагретую пищу. Частота бытовой микроволновой печи составляет 2,45 ГГц, а частота для оптимального поглощения воды составляет около 10 ГГц. [3]

Радиочастотный обогрев

Использование высокочастотных электрических полей для нагрева диэлектрических материалов было предложено в 1930-х годах. Например, Патент США 2147689 (заявка Bell Telephone Laboratories, датированная 1937 г.) гласит: «Данное изобретение относится к системам нагрева диэлектрических материалов, и цель изобретения состоит в том, чтобы нагревать такие материалы равномерно и по существу одновременно по всей их массе. Поэтому было предложено нагревать такие материалы одновременно по всей их массе за счет диэлектрических потерь, возникающих в них, когда они подвергаются воздействию поля высокого напряжения и высокой частоты.«В этом патенте предлагается радиочастотный (РЧ) нагрев от 10 до 20 секунд. мегагерц (длина волны от 15 до 30 метров). [4] Такие длины волн были намного длиннее, чем используемый резонатор, и, таким образом, использовали эффекты ближнего поля, а не электромагнитные волны. (В коммерческих микроволновых печах используется длина волны только на 1%.)

В сельском хозяйстве радиочастотный диэлектрический нагрев был широко протестирован и все чаще используется как способ уничтожения вредителей некоторых пищевых культур после сбора урожая, таких как грецкие орехи, все еще находящиеся в скорлупе. Поскольку радиочастотное нагревание может нагревать продукты более равномерно, чем в случае микроволнового нагрева, высокочастотное нагревание является многообещающим способом быстрой обработки продуктов. [5]

В медицине радиочастотный нагрев тканей тела, называемый диатермия, используется для мышечной терапии [6] Нагрев до более высоких температур, называемый гипертермическая терапия, используется для уничтожения рака и опухолевых тканей.

Радиочастотное нагревание используется в деревообрабатывающей промышленности для отверждения клеев, используемых при производстве фанеры, при соединении швов и производстве мебели. Радиочастотный нагрев также можно использовать для ускорения сушки пиломатериалов.

СВЧ-нагрев

Микроволновый нагрев, в отличие от ВЧ-нагрева, является подкатегорией диэлектрического нагрева на частотах выше 100 МГц, когда электромагнитная волна может быть запущена из излучателя небольшого размера и направлена ​​через пространство к цели. Современное микроволновые печи используют электромагнитные волны с электрическими полями гораздо более высокой частоты и меньшей длины волны, чем радиочастотные нагреватели. Типичные бытовые микроволновые печи работают при 2,45 ГГц, но 915 МГц духовки тоже существуют. Это означает, что длины волн, используемые при микроволновом нагреве, составляют от 0,1 см до 10 см. [7] Это обеспечивает высокоэффективный, но менее проникающий диэлектрический нагрев. [ нужна цитата ]

Хотя конденсаторный набор пластин может использоваться на микроволновых частотах, в них нет необходимости, поскольку микроволны уже присутствуют в виде дальнее поле тип ЭМ излучения, и их поглощение не требует такой же близости к маленькой антенне, как радиочастотный нагрев. Таким образом, нагреваемый материал (неметалл) можно просто поместить на пути волн, и нагрев происходит бесконтактным способом, который не требует емкостных проводящих пластин. [ нужна цитата ]

Объемное микроволновое нагревание

Объемный нагрев в микроволновой печи представляет собой коммерчески доступный метод нагрева жидкостей, суспензий или твердых веществ в непрерывном потоке в промышленных масштабах. Объемный микроволновый нагрев имеет большую глубину проникновения, до 42 миллиметров (1,7 дюйма), что является равномерным проникновением через весь объем текущего продукта. Это выгодно в коммерческих применениях, где может быть достигнуто увеличение срока хранения с повышенным уничтожением микробов при температурах на 10–15 ° C (18–27 ° F) ниже, чем при использовании обычных систем нагрева.

Применения микроволнового объемного нагрева включают:

Пищевая промышленность

Качество пищи повышается и лучше сохраняется с помощью электромагнитной энергии, чем при обычном нагревании. Обычный нагрев приводит к большому перепаду температур и увеличению времени обработки, что может вызвать чрезмерную обработку поверхности пищевого продукта и ухудшить общее качество продукта. [10] Электромагнитная энергия позволяет достичь более высоких температур обработки за более короткое время, поэтому сохраняется больше питательных и сенсорных свойств. [11]

Источник

Диэлектрический нагрев термопластических материалов, высокочастотная сварка

Диэлектрический нагрев термопластических материалов применяется главным образом для соединения (сварки) отдельных частей при изготовлении различных изделий из этих материалов.

Процесс сварки происходит вследствие разогрева в высокочастотном электрическом поле до температуры плавления участка материала, находящегося под электродами рабочего конденсатора, к которым приложено соответствующее давление.

Такой сварке подвергаются как эластичные пленки, так и жесткие материалы в виде листов, труб и др. При помощи высокочастотной сварки изготовляются различные технические изделия, защитная упаковка, одежда, тара, а также предметы широкого потребления (папки, бумажники, футляры, сумки, плащи и др.).

Применяются два основных способа высокочастотной сварки: непрерывно-последовательная и одновременный.

При непрерывно-последовательном способе рабочий конденсатор состоит из двух вращающихся роликов, между которыми движется свариваемый материал.

Один из роликов является ведущим и соединен с электроприводом. Второй, высокопотенциальный, изолирован от корпуса установки диэлектриком, обладающим малыми потерями. Давление на материал передается через верхний ролик от пружины.

Производительность при таком способе сварки не превышает 5 м/мин. Для увеличения производительности пользуются конструкциями рабочего конденсатора, характерной особенностью которых является наличие замкнутой движущейся вместе с материалом металлической ленты.

В таких конструкциях длина линии касания электродов с материалом может быть выбрана сколь угодно большой и скорость сварки практически не ограничена. Свариваемый материал может протаскиваться самой системой электродов.

При одновременном способе электроды рабочего конденсатора, выполненные в виде штампов, повторяющих требуемую конфигурацию шва, установлены в прессе.

Для сварки встык труб из литого винипласта применяется рабочий конденсатор в виде двух пар полуколец из цветного металла. Внутрь трубы вставляется разъемный вкладыш из изоляционного материала с малыми потерями, препятствующий образованию в процессе сварки выступов и шероховатостей на внутренней поверхности трубы.

Машина высокочастотной сварки (сварочно-отрезной станок)

Сварочно-отрезной станок с выдвижным лотком подходит для сварки и резки материалов, содержащих нетканые материалы, другие ткани, а также текстильные или кожаные изделия. Это позволяет резать лишний материал сразу после сварки.

Оператор сначала помещает свариваемый материал на подвижный стол, а затем подвижный стол перемещается в зону прессования для сварки. Такая конструкция и обеспечивает безопасность операторов.

Другое распространенное применение — блистерная сварка. Сварочно-отрезной аппарат с выдвижным лотком может сваривать блистер с картоном, а затем разрезать блистер. Этот тип машин также часто используется в производстве спортивной обуви.

При стыковой сварке плоских листов применяются прямолинейные электроды. Свариваемые листы располагаются на твердом основании. Между электродами и листами над стыком укладывается упругая изоляционная прокладка, ограничивающая шов в высоту и улучшающая его форму.

К электродам прикладывается давление в направлении, перпендикулярном плоскости листов. Разогретый материал вдавливается в пространство между электродами, образуя утолщенный шов.

Прессовая сварка обеспечивает большую производительность при высоком качестве сварных швов. Прессы имеют ножной, пневматический или гидравлический привод. Конструктивно они выполняются:

с остаточным зазором, обеспечивающим заданную конечную толщину шва; при этом давление на сварной шов в процессе сварки меняется от максимального значения до 0;

с постоянным давлением в течение всего периода сварки;

с двумя ступенями давления: при небольшом давлении производится нагрев материала до плавления, после чего нагрев прекращается, а давление повышается.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник