3.10 Тема 10. Диэлектрический нагрев

Рассматриваемые вопросы:

- особенности и область применения;

- физические основы диэлектрического нагрева;

- расчет параметров и выбор установок;

- нагрев в поле СВЧ;

- источники питания установок диэлектрического и индукционного нагрева.

Рекомендуемая литература:

- Басов А.М. и др. Электротехнология. Учебное пособие. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Карасенко В.А. и др. Электротехнология. – М.: Колос, 1992.

- Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. Учебное пособие.- М.: Колос, 1976.

- Электронагревательные установки в сельскохозяйственном производстве. /Под общ. ред. В.Н. Растригина/. – М.: Агропромиздат, 1985.

- Глушков А.М., Юдаев И.В. Светотехнтка и электротехнология. ч. 2 «Электротехнология» ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА». – Волгоград, 2008, (текст).

Краткое содержание

Диэлектрический нагрев используют для нагрева непроводящих материалов (диэлектриков), а также полупроводников и проводников II рода. Нагрев происходит в высокочастотном электрическом (электромагнитном) поле вследствие поляризации сред и протекания токов сквозной проводимости.

В диэлектриках процессы поляризации сопровождаются движением (смещением) связанных зарядов, которые есть не что иное, как ток электрического смещения. Плотность тока смещения определяется скоростью изменения вектора электрической индукции .

Диэлектрик, подлежащий нагреву, помещают между металлическими обкладками конденсатора, подключенного к источнику переменного тока. Мощность, Вт/м³, выделяемая в единице объема нагреваемого диэлектрика, определяется выражением, известным из курса ТОЭ при подстановке в которое ε₀=1/4π·(9·10⁹) Ф/м:

Из уравнения следует, что диэлектрическая проницаемость ε_r и тангенс угла потерь tgδ – 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.

В СВЧ - диапазоне наиболее часто используют электромагнитные колебания на частотах 433, 915, 2375 МГц.

При выборе напряженности электрического поля исходят из того, что для каждого нагреваемого материала существует определенная напряженность Епр, при превышении которой происходит электрический пробой материала. Пробивная напряженность многих материалов составляет несколько киловольт на миллиметр.

При нагреве материала без воздушного зазора рабочая напряженность, В/м:

Минимальную частоту, обеспечивающую требуемый режим нагрева

без воздушного зазора в рабочем конденсаторе, находят из выражения:

При нагреве материала с воздушным зазором в рабочем конденсаторе

Увеличивая частоту поля, можно выделить в материале требуемую объемную плотность мощности при пониженной напряженности поля.

При проектировании и разработке емкостного нагревателя для непроводниковых материалов часто возникает необходимость расчета эквивалентных электрических параметров рабочего конденсатора.

Сопротивление воздушного зазора:

Сопротивление нагреваемого материала:

где ω - круговая частота тока; r₂ и x₂ - активное и емкостное сопротивления нагреваемого материала.

Существует утверждение: внешнее (краевое) поле конденсатора с нагрузкой подобно полю пустого конденсатора. Отсюда следует способ расчета:

где С - емкость пустого конденсатора; С_ср.ч - емкость средней части конденсатора, в которой помещается нагреваемый материал.

Так как поле средней части конденсатора близко к однородному, а к этому всегда стремятся, выбирая соответственно размеры электрода и зазоры, то, например, для плоского конденсатора:

где  – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/см; d₁ – расстояние между электродами; S₂ = а₂·b₂ – площадь поверхности диэлектрика, обращенной к электродам.

При индукционном нагреве принято различать источники питания и

установки низкой (промышленной) 50 Гц, средней (повышенной) (0,15...10)·10³ Гц и высокой (0,15...100)·10⁵ Гц частот. При диэлектрическом нагреве используют источники и установки высокой (3...100)·10⁶ Гц и сверхвысокой (0.3...220) ·10⁸ Гц частот.

Машинные и тиристорные (статические) преобразователи – источники питания установок индукционного нагрева частоты до 10 кГц. Машинный преобразователь частот состоит из генератора повышенной частоты и трехфазного приводного электродвигателя.

В статических преобразователях повышенную частоту получают за счет коммутации постоянного тока управляемыми вентилями (тиристорами).

Тиристорный преобразователь частоты состоит из двух основных узлов: выпрямителя, преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и автономного инвертора, преобразующего постоянный ток в переменный высокой частоты.

Сглаживающий фильтр, соединяющий эти узлы, часто является элементом схемы инвертора.

Для питания электротермических установок индукционного нагрева на высоких частотах (от 20...30 кГц) и установок диэлектрического нагрева используют ламповые генераторы с самовозбуждением.

Рабочая частота, Гц, генератора:

где L - индуктивность катушки контура, Гц; С - емкость конденсатора контура, Ф.

Для генерации электромагнитного поля СВЧ используют: специальный генератор, в котором электрическая энергия постоянного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля СВЧ. Магнетрон – основной СВЧ- генератор, применяемый в электротермии.

В общем виде генерируемая магнетроном частота f определяется числом резонаторов Т и напряженностью магнитного поля Н:

Напряженность магнитного поля:

где b - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции магнетрона; U_а - анодное напряжение.

Колебательная (выходная) мощность магнетронов для электротермических СВЧ-установок составляет до нескольких десятков киловатт, их КПД может превышать 70%.