9

Лекция 7 диэлектрический нагрев

1. Особенности диэлектрического нагрева

Применяется для нагрева материалов с плохой электропровод-ностью (диэлектриков): чай, табак, семена, фрукты, виноград, морковь, бумаги, древесина, пластик и т.Д.

При этом нагреваемый материал помещается между металлическими обкладками конденсатора, подключаемого к высокочастотному источнику переменного напряжения. Протекающие по диэлектрику токи смещения и малые токи проводимости нагревают материал.

В зависимости от частоты f питающего напряжения различают установки: средневолнового (f = 0,3 - 3 МГц), коротковолнового (f = 3 - 30 МГц) и ультраволнового СВЧ (f = 30 - 300 МГц) диапазонов.

Серийно выпускаются установки высокочастотного нагрева мощностью до 60 кВт, специальные установки могут достигать мощности 1 МВт.

Материал	Частота, МГц	Удельная мощность, Вт/см3	Длительность обработки
Древесина (сушка)	0,3 – 0,75	0,003 – 0,05	8 – 30 ч
Литейные стержни (сушка)	6 – 50	1 - 3	2 – 20 мин
Бумага листовая (сушка)	20 - 30	100 – 300	5 – 60 сек
Пластикат (роликовая сварка)	40 - 200	1000 - 1500	0,03 – 0,2 сек

На рис. 1 показана принципиальная схема высокочастотного генератора на триоде и его эквивалентная схема узла нагрузки.

Технологический узел - конденсатор Сн с нагреваемым материалом - включен в колебательный контур.

Посредством магнитной связи между L и LK осуществляется обратная связь в ламповом генераторе, обеспечивающая незатухающие колебания в контуре LK – Сн.

Рис. 1. Схема высокочастотного генератора для диэлектрического нагрева (а) и эквивалентная схема нагрузки (б):

Lд - индуктивность дросселя, защищающего выпрямитель от высокой частоты; ЛГ - ламповый генератор; Ср - разделительный конденсатор; Сн - емкость нагревательного конденсатора; Lk - индуктивность колебательного контура; Rн -активное сопротивление нагрузки; R1 - активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов

2. Расчет мощности и частоты диэлектрических нагревателей

Плотность мощности, Вт/м³, в нагреваемом диэлектрике

_о — электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), рав­ная 8,8510^-12Ф/м;

_г — относительная диэлектрическая проницаемость материала, _г= 2...8;

tg — тангенс угла потерь  = 90° — ,  —угол между векторами напряже­ния и тока нагрузки;

E — напряженность электрического поля, В/м; f — частота, Гц.

Из приведенного уравнения следует, что диэлектрическая проницаемость _r и тангенс угла потерь tg — основные характеристики диэлектрика, опре­деляющие его нагрев в переменном электрическом поле.

Они зависят от частоты f изменения электрического поля, его на­пряженности, температуры диэлектрика и некоторых других факторов. Характер зависимости _r и tg от частоты показан на рис. 2.

При низких частотах смещение зарядов в диэлектрике (по­ляризация) успевает следовать за изменениями электрического поля, поэтому поглощение энергии незначительно. С повыше­нием частоты скорость смещения зарядов возрастает, поглоще­ние энергии увеличивается, поэтому tg на некоторой частоте fo достигает максимального значения. При дальнейшем повыше­нии частоты заряды не успевают смещаться, отслеживая изме­нения электрического поля, поэтому _r уменьшается, поглоще­ние энергии при малых смещениях снижается и, следовательно, уменьшается и tg. В зависимости от структуры диэлектриков и характера поляризации кривая tg может иметь несколько максимумов, а кривая _r — несколько ступеней снижения.

Рис. 2. Зависимость _r и tg от ча­стоты

Чтобы увеличить объемную плотность мощности, выделяю­щейся в диэлектрике, т.е. для интенсификации процесса нагре­ва, используют высокие и сверхвысокие частоты, а также вы­сокие напряженности. Однако с повышением частоты умень­шается глубина проникновения электромагнитной волны в реальный диэлектрик. Глубину проникновения электромагнит­ной энергии, определяемую как расстояние z₀ от поверхности диэлектрика, на котором напряженность электрического поля убывает в е раз, находят по формуле

 — длина волны, соответствующая рабочей частоте.

Так как в большинстве случаев tg << 1, то

В нашей стране для термообработки в СВЧ-диапазоне наи­более часто используют электромагнитные колебания на часто­тах 433, 915, 2375 МГц.

Мощность, Вт, потребляемая установкой из сети,

Ф_п — полезный тепловой поток, идущий на нагрев диэлектрика, Вт;

_К — КПД конденсатора (_К = 0,8...0,9);

_Э — КПД колебательного контура (_{Э э} = 0,65...0,67);

_Л — КПД подводящих проводов (_Л = 0,95...0,99);

_Г — КПД генератора частоты (_Г = 0,65...0,85).

Общий КПД установок _ОБЩ = 0,3...0,5.

Выбор частоты поля

При выборе частоты электрического поля учитывают парамет­ры нагреваемого материала. Тогда уравнение энергетического ба­ланса диэлектрического нагрева имеет вид

 — плотность нагреваемого материала, кг/м³;

С —теплоемкость материала, Дж/(кг°С);

Т₁ , Т₂ — начальная и конечная температуры нагрева, °С;

t — время нагрева, с.

Минимальная частота (из верхнего выражения), Гц, установки для обеспечения требуемого режима

Из этого выражения могут быть определены также значения Е, _K , t, T₂ , Т₁ при остальных известных величинах.

Диэлектрические установки используют для равномерного и быстрого нагрева вещества по всему его объему. Возможен изби­рательный нагрев сыпучего вещества, например семян, заражен­ных насекомыми или бактериями. В этом случае, изменяя частоту, можно провести дезинсекцию семян. В ряде случаев возможно ис­пользование механического воздействия нагрева (изгибы и дефор­мация при сушке древесины и т. п.).

Недостатки установок — низкий КПД и необходимость использования квалифицированного персонала при обслужива­нии и ремонте.

Пример обозначения установки диэлектрического нагрева ВЧГ-25/40 — высокочастотный генератор мощностью 25 кВт с ра­бочей частотой 40,68 МГц. Шкала мощностей установок: 4; 5; 10; 25; 40; 60; 100; 160 кВт.