Электротехнологические установки (стр. 10 из 32)

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. 4.13,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 внешнему полю. С ростом частоты отставание увеличивается, пока не достигнет максимума. Дальнейшее повышение частоты из-за 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. 4.14) 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 = jωСU и ток проводимости I_п = gU. Полный ток, проходящий через диэлектрик,

I = I_п + I_см = (g + jωС)U.

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

Показатели ε и tgδ зависят от рода и физического состояния вещества (влажности, температуры), а также от частоты поля. Их зависимость от частоты поля показана на рис. 4.15. Величина tgδ имеет максимум при так называемой релаксационной частоте f₀, характерной для каждого материала.

Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из векторной диаграммы

P = Uicosθ ≈ UItgδ = ωCU²tgδ,

где ω = 2πf - угловая скорость, рад/с; С - емкость плоского конденсатора, Ф; С = εε₀ S/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 5й и напряженность электрического поля Е= U/d (В/м), мощность Р₀ (Вт/м³), выделяющаяся в единице объема диэлектрика,

Р₀=5,56·10^-11fE²εtgδ, (4.1)

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 = C_рγ(ΔT/Δη)/ η_t. (4.2)

где С_р - удельная теплоемкость материала, Дж/(г·К); γ - плотность материала, г/см³; ΔT/Δη - 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) · ( ΔT/Δη), (4.3)

где L - скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, Дж/г; ΔT/Δη - скорость испарения, Г/(см³·с).

Анализ уравнений (4.1) - (4.3) 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.

4.5. 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.

Рис. 4.16. Схемы рабочих конденсаторов установок диэлектрического нагрева

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√ε tgδ.

Допустимая напряженность поля в воздушном зазоре определяется значени- ем пробивной напряженности E_пр.в. При ее достижении происходит электрический пробой. Напряженность пробоя воздуха ниже, чем Е_пр большинства нагреваемых материалов. На практике при процессах сушки с выделением водяных паров или других летучих продуктов напряженность поля в воздушном зазоре не должна пре вышать 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 Е_м по формулам (4.1) - (4.3) определяют рабочую частоту тока (Гц) при нагреве и сушке материала соответственно:

f_н = 7,53*10¹² γCΔT ; ε tgδ η_t η E²_м

f_c = 7,53*10¹² LΔT . ε tgδ η_t η E²_м

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. 4.17. Технологический узел конденсатор с нагреваемым материалом - включен в колебательныи контур.

Рис. 4.17. Схема высокочастотного генератора для диэлектрического нагрева (а) и

эквивалентная схема нагрузки (б):

L_д - индуктивность дросселя, защищающего выпрямитель от высокой частоты;

ЛГ - ламповый генератор; С_р - разделительный конденсатор; С_н - емкость нагревательного конденсатора; L_к - индуктивность колебательного контура; R_н - активное сопротивление нагрузки; R₁ - активное сопротивление индуктивной катушки и соединительных проводов

Полное активное сопротивление контура

R_к = R_н+R₁

Если оно незначительно:

_____

R_к<<2√L_к/С_н,

то частоту генератора с достаточной точностью определяют по условию резонанса контура без потерь:

1/(ωС_н) = ωL_к или

____

f = 1/2π√L_кС_н.

Эквивалентное сопротивление контура с учетом потерь

R_э = 1/(ωС_н) ·ωL_к/R_к = L_к /(С_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 = P₀υ_к/η_к,

где υ_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. 4.18.

Схемы технологических узлов для нагрева и сушки крупногабаритных изделий и порошкообразных материалов показаны на рис. 4.18, 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. 4.18, 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.