4.4. Физические основы диэлектрического нагрева

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле является основой диэлектрического нагрева (ДН). С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

По технологическим признакам установки ДН подразделяют на три вида:

– установки, используемые 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, используемые для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, бумаги, фотопленки, фармацевтических препаратов, полимеризации клеев, пастеризация и т. д.

– установки не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг керамических изделий и т. п.

Частицы диэлектрика в электрическом поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно – в другую. В результате такая молекула воспринимается как диполь, т. е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и –q, смещенных друг относительно друга на расстояние (рис. 4.7, а). Такой диэлектрик называют поляризованным.

Различают несколько видов поляризации:

Е

Рис. 4.7. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле:

а – поляризация атомов; б – ориентационная поляризация

– электронная поляризация атомов, вызванная смещением электронного облака относительно ядра атома.

– ионная поляризация молекул, вызванная упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na⁺ и Cl^- в поваренной соли).

– ориентационная поляризация, имеющая 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. 4.7, б).

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.

Поляризация сопровождается потерями энергии, вызванными трением между молекулами (потери трения) и перемещением диполей (дипольные потери), которые выражаются в нагреве диэлектрика или полупроводника. Скорость которого определяется, в частности, частотой изменения поля.

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

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

= + = . (4.22)

Рис. 4.8. Векторная диаграмма токов в диэлектрике в переменном

электрическом поле

Отношение тока проводимости к току смещения / =tg определяет коэффициент потерь в диэлектрике.

Показатели и tg зависят от рода и физического состояния вещества (влажности, температуры), частоты поля (рис. 4.8.). Величина tg имеет максимум при так называемой релаксационной частоте f₀, характерной для каждого материала.

Выделяющуюся в диэлектрике мощность определяется:

, (4.23)

где – угловая скорость, рад/с, С – емкость плоского конденсатора, Ф: (S – площадь пластин конденсатора, м²; – расстояние между ними, м; Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума).

Имея в виду, что объем диэлектрика равен и напряженность электрического поля  (В/м), удельная мощность  (Вт/м³), выделяющаяся в единице объема диэлектрика определяется:

. (4.24)

При затратах теплоты только на нагрев удельная мощность, поступающая в материал, должна соответствовать

= , (4.25)

где – удельная теплоемкость материала, Дж/(г·К); – плотность материала, г/см³; – скорость нагрева материала, К/с; – термический КПД процесса.

При затратах теплоты только на испарение

= . (4.26)

где – скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, Дж/г; – скорость испарения, Г/(cм³·с).