КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Физические основы диэлектрического нагреваИспользование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, По технологическим признакам установки высокочастотного Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка волокон шерсти Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков В установках третьего вида проводятся процессы, не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг простых 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
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, Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными внешнему полю. С ростом частоты отставание увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты из-за вязкости среды приводит к обратному результату — уменьшению 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 I = Iп + Iсм = (g + jωC)U. (46) Отношение тока проводимости к току смещения In / Icм = tgδ также Показатели εи tgδ зависят от рода и физического состояния Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из Р = UIcosφ ≈ UItgδ = ωCU2tgδ, (47) где ω = 2πf – угловая скорость, рад/с; С – емкость плоского конденсатора, Ф: C= εεoS/d (S — площадь пластин конденсатора, м2; Po=5,56.10-11fE2εtgδ. (48) Подводимая удельная мощность Р0 расходуется на нагрев материала, испарение влаги или других летучих компонентов. При Рнагр=Срγ(ΔТ/Δτ)/ηt , (49) где Ср — удельная теплоемкость материала, Дж/(г·К); γ —плотность материала, г/см3; ΔТ/Δτ — скорость нагрева материала, К/с; ηt — термический КПД процесса, учитывающий потери теплоты в окружающую среду. При затратах теплоты только на испарение Рисп=(L/ηt)·(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 Выделяющаяся мощность не зависит от теплопроводности материала, которая у диэлектриков, как правило, имеет низкие значения. Эта особенность является существенным преимуществом
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.
волны в материал под его толщиной. Глубина проникновения (см) определяет расстояние, на котором напряженность электрического поля 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 εср= 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 Если однородный материал помещен в конденсатор коаксиального типа (рис. 2.63,в), то также Uм=Uрк, а напряженность электрического поля в данной точке материала Eм = Uрк/ , (53) где R — расстояние от центра до данной точки. Если материал занимает не весь объем конденсатора (рис. 2.63, Eм = U/(d + εdB); Eв = εEм, (54) для коаксиального конденсатора (рис. 2.63, г) Eм = U / R(ln ; Eв = εEм , (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 Eпр.в . При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем Eпр 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 Eм.доп принимают в два раза меньшей пробивной напряженности этого материала: Eм.доп = Eм.пр/2. Выбрав допустимое значение напряженности поля в материале Eм., 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.
Эквивалентное сопротивление контура с учетом потерь где ωLк/Rк — отношение реактивного и активного сопротивлений, т. е. добротность контура. Эквивалентное сопротивление контура должно соответствовать паспортным данным генератора. Pг = P0vк/ηк, где vк — объем конденсатора, м3; ηк — КПД колебательного контура. Конструкция технологического узла определяется в основном 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 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 ро = 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. 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
|