Физические основы диэлектрического нагрева

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле,
является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равно-
мерность и высокая производительность. 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: сушка волокон шерсти
или хлопка, целлюлозы и лесоматериалов, обжиг крупных электроизоляторов и фарфоровых изделий, производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пластмасс и полимерных
пленок.

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

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

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

Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно
заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно — 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 относительно друга на расстояние (рис. 2.60,а). Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют

поляризованным. Произведение заряда частицы на смещение l называют электрическим моментом диполя m = gl (Кл-м), который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением m=αE, где α — 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. 2.60,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10-14—10-15 с, за это же время устанавливается электронная поляризация. Ионная поляризация молекул вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической

а – поляризация атомов; б – ориентационная поляризация

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 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 (рис. 2.60,б). 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 направлениях. Происходит перемещение зарядов, т. е. через диэлектрик проходит электрический ток. При расположении диэлектрика между
обкладками конденсатора, на которые подано напряжение от высокочастотного генератора, цепь тока замкнется через этот генератор.

Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными
трением между молекулами (потери трения) 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

вязкости среды приводит к обратному результату — уменьшению
поляризации, что ведет к резкому снижению диэлектрической проницаемости вещества. При отсутствии потерь ток опережает напряженность поля на угол 90°. Если поляризация сопряжена с потерями и несколько запаздывает, ток опережает напряженность на угол, меньший 90°. Разница δ–Θ(рис. 2.61.) характеризует потери в диэлектрике и называется углом диэлектрических потерь.

Происходящие в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, процессы определяются диэлектрической проницаемостью ε = ε'—jε". Вещественная часть комплекса ε' характеризует отношение емкостей конденсатора до и после введения в него диэлектрика — относительная диэлектрическая проницаемость вещества. Мнимая часть ε" = ε'tgδ характеризует поглощение энергии поля диэлектриком и называется коэффициентом потерь диэлектрика.

Проходящий через конденсатор с диэлектриком ток имеет две
составляющие: ток смещения I_см = jωCU и ток проводимости
I_n = gU. Полный ток, проходящий через диэлектрик,

I = I_п + I_см = (g + jωC)U. (46)

Отношение тока проводимости к току смещения I_n / I_cм = tgδ также
определяет коэффициент потерь в диэлектрике.

Показатели εи tgδ зависят от рода и физического состояния
вещества (влажности, температуры), а также от частоты поля. Их зависимость от частоты поля показана на рис. 2.62. Величина tgδ имеет максимум при так называемой релаксационной частоте
f_o, характерной для каждого материала.

Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из
векторной диаграммы

Р = UIcosφ ≈ UItgδ = ωCU²tgδ, (47)

где ω = 2πf – угловая скорость, рад/с; С – емкость плоского конденсатора, Ф: C= εε_oS/d (S — площадь пластин конденсатора, м²;
d — расстояние между ними, м; ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м — диэлектрическая проницаемость вакуума). Имея в виду, что объем диэлектрика равен Sd и напряженность электрического поля Е= U/d (В/м), мощность Р₀ (Вт/м³), выделяющаяся в единице объема диэлектрика,

Po=5,56.10^-11fE²εtgδ. (48)

Подводимая удельная мощность Р₀ расходуется на нагрев материала, испарение влаги или других летучих компонентов. При
затратах теплоты только на нагрев удельная мощность, поступающая в материал, должна соответствовать

Р_нагр=С_рγ(ΔТ/Δτ)/η_t , (49)

где С_р — удельная теплоемкость материала, Дж/(г·К); γ —плотность материала, г/см³; ΔТ/Δτ — скорость нагрева материала, К/с; η_t — термический КПД процесса, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

При затратах теплоты только на испарение

Р_исп=(L/η_t)·(ΔM /Δτ), (50)

где L — скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, Дж/г; ΔM /Δτ — скорость испарения, Г/(см³·с).

Анализ уравнений (48) —(50) позволяет сделать вывод, что
мощность, выделяющаяся в диэлектрике, помещенном в переменное электрическое поле, определяется только его электрическими
характеристиками ε и tgδ и параметрами поля: напряженностью
и частотой.

Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом
диэлектрического нагрева, позволяющим значительно ускорить
процесс нагрева материала по сравнению с другими традиционными видами нагрева.

2.4.2. Установки диэлектрического нагрева

Установки диэлектрического нагрева подразделяют на два вида: собственно установки диэлектрического нагрева, работающие на высокой частоте (ВЧ-установки — частота 66 кГц — 100 мГц), и установки сверхвысокочастотного нагрева (СВЧ-нагрев—частота 1000 мГц и выше). Последние применяются при нагреве диэлектриков со сравнительно малым коэффициентом потерь, нагреве пищевых продуктов.

Выбор рабочих параметров установки определяется рядом физических свойств 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 (см) определяет расстояние, на котором напряженность электрического поля
ослабевает в е раз относительно ее значения на поверхности:

Δ = 9,55· 10¹¹f tgδ.

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

ε _ср= (ε₁d₁ + ε₂d₂) /(d₁ + d₂). (51)

При направлении поля поперек слоев

ε_ср= ε₁ε₂ (d₁ + d₂) /(ε₁d₁ + ε₂d₂). (52)

При увеличении числа слоев в числителе и знаменателе уравнений (51) и (52) соответственно увеличивается число слагаемых.

Напряженность электрического поля в конденсаторе также не
является постоянной. В простейшем случае, когда материал по своей структуре однороден и отсутствует зазор между ним и пластинами конденсатора, напряжение, приложенное к материалу U_м, равно напряжению, подводимому к рабочему конденсатору U_рк (рис. 2.63., а, в). Напряженность электрического поля в материале для плоского конденсатора (рис. 2.63., а) E_м=U_pк/d_м. Материал в этом случае нагревается равномерно, поскольку удельная мощность выделяется по всему его объему одинаково.

Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис. 2.63,в), то также U_м=U_рк, а напряженность электрического поля в данной точке материала

E_м = U_рк/ , (53)

где R — расстояние от центра до данной точки.

Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис. 2.63,
б, г), то для плоского конденсатора

E_м = U/(d + εd_B); E_в = εE_м, (54)

для коаксиального конденсатора (рис. 2.63, г)

E_м = U / R(ln ; E_в = εE_м , (55)

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

Допустимая напряженность поля в воздушном зазоре определяется значением пробивной напряженности E_пр.в . При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем E_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 кВ/см, в других процессах нагрева она может достигать 5,0 кВ/см.

Допустимую напряженность поля в материале E_м.доп принимают в два раза меньшей пробивной напряженности этого материала: E_м.доп ⁼ E_м.пр/2.

Выбрав допустимое значение напряженности поля в материале E_м., по формулам (48) — (50) определяют рабочую частоту тока (Гц) при нагреве и сушке материала соответственно:

; (56)

. (57)

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

Принципиальная схема высокочастотного генератора на триоде и его эквивалентная схема нагрузки показаны на рис. 2.64. Технологический узел – конденсатор с нагреваемым материалом —включен в колебательный контур. Полное активное сопротивление контура Rк = Rн+R1 Если оно незначительно: , то частоту генератора с достаточной точностью определяют по условию резонанса контура без потерь: 1/(ωСн) = ωLK или

Rн –активное сопротивление нагрузки; R1–активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов.

Эквивалентное сопротивление контура с учетом потерь
R_э = 1 /(ωС_н) ·ω L_к/R_к = L_к/(C_нL_к),

где ωL_к/R_к — отношение реактивного и активного сопротивлений, т. е. добротность контура. Эквивалентное сопротивление контура должно соответствовать паспортным данным генератора.
Выходная мощность генератора (Вт)

P_г = P₀v_к/η_к,

где v_к — объем конденсатора, м³; η_к — КПД колебательного контура.

Конструкция технологического узла определяется в основном
родом и видом нагреваемого материала. Различные схемы осуществления технологических узлов установок диэлектрического нагрева показаны на рис. 2.65.

Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий и порошкообразных материалов показаны на рис. 2.65, 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. 2.65, в показана схема технологического узла для изготовления изделий из пенопласта. При формировании различных видов изделий исходное сырье помещается в формы, рабочие полости которых повторяют конфигурацию изделия.

Существуют установки диэлектрического нагрева для термообработки пористых резин, предварительного нагрева таблетированных пресс-материалов, нагрева в процессе прессования, термообработки изделий и нагрева перед штамповкой, склеивания термореактивными клеями, 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) диапазонов.

Первые из них применяются для нагрева материалов с большим фактором потерь εtgδ, к которым относятся очень влажные изделия при их относительно небольших габаритных размерах. Генераторы этих установок имеют сравнительно высокий КПД (0,5—0,6) и выполнены мощностью до нескольких сотен киловатт. Нагрев производится на низких удельных мощностях (р₀ = 0,01÷1,0 Вт/см³) при длительности нагрева в десятки часов и высоком напряжении на рабочем конденсаторе (10—15 кВ).

Коротковолновые установки применяются для нагрева материалов со средним значением фактора потерь. КПД таких установок 0,4—0,55. Мощность генератора составляет несколько десятков киловатт, объем одновременно нагреваемого материала небольшой. Удельная мощность р_о = 1÷100 Вт/см³. Сушка с испарением длится в течение нескольких часов, без испарения — доли часа. Установки удобны при работе с воздушным зазором и для осуществления методического нагрева.

Установки метрового диапазона имеют КПД, равный 0,3—0,4.
Применяются для нагрева материалов с малым значением εtgδ. Объем рабочей камеры невелик (р₀ = 0,1÷3 кВт/см³), 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 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. 2.65, г). В объемных резонаторах
нагреваются предметы произвольной формы.