ความร้อนอิเล็กทริก

ความร้อนอิเล็กทริกคืออะไร

การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กตริกหมายถึงการให้ความร้อนแก่ไดอิเล็กตริกและเซมิคอนดักเตอร์ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับภายใต้อิทธิพลของวัสดุที่ให้ความร้อนเป็นโพลาไรซ์ โพลาไรเซชันเป็นกระบวนการของการแทนที่ของประจุที่เกี่ยวข้อง ซึ่งนำไปสู่การปรากฏของโมเมนต์ไฟฟ้าที่องค์ประกอบปริมาตรขนาดใหญ่แต่ละส่วน

โพลาไรเซชันแบ่งออกเป็นยืดหยุ่นและผ่อนคลาย: ยืดหยุ่น (ไม่มีความเฉื่อย) กำหนดพลังงานของสนามไฟฟ้าและการผ่อนคลาย (เฉื่อย) กำหนดความร้อนที่ปล่อยออกมาในวัสดุที่ให้ความร้อน ในการผ่อนคลายโพลาไรเซชันโดยสนามไฟฟ้าภายนอก การทำงานจะเอาชนะแรงของพันธะภายใน ("แรงเสียดทาน") ของอะตอม โมเลกุล สารเชิงซ้อนที่มีประจุไฟฟ้า ครึ่งหนึ่งของงานนี้ถูกแปลงเป็นความร้อน

พลังงานที่ปล่อยออกมาในไดอิเล็กตริกมักจะอ้างอิงถึงหน่วยปริมาตรและคำนวณโดยสูตร

โดยที่ γ คือคอนจูเกตสื่อนำไฟฟ้าเชิงซ้อนของวัสดุ EM คือความแรงของสนามไฟฟ้าในวัสดุ

การนำที่ซับซ้อน

ที่นี่ εr คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงซ้อนทั้งหมด

ส่วนที่แท้จริงของ ε' เรียกว่าค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ส่งผลต่อปริมาณพลังงานที่สามารถเก็บไว้ในวัสดุได้ ส่วนจินตภาพของ ε « เรียกว่า Loss Factor เป็นการวัดพลังงาน (ความร้อน) ที่กระจายไปในวัสดุ

ปัจจัยการสูญเสียคำนึงถึงพลังงานที่กระจายไปในวัสดุเนื่องจากทั้งโพลาไรเซชันและกระแสไฟรั่ว

ในทางปฏิบัติ การคำนวณใช้ค่าที่เรียกว่าเส้นสัมผัสมุมสูญเสีย:

แทนเจนต์ของมุมการสูญเสียกำหนดอัตราส่วนของพลังงานที่ใช้ในการให้ความร้อนต่อพลังงานที่เก็บไว้ของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า

เมื่อพิจารณาจากข้างต้น กำลังไฟฟ้าเฉพาะเชิงปริมาตร W / m3:

หรือ

ดังนั้น กำลังของปริมาตรเฉพาะจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความแรงของสนามไฟฟ้าในวัสดุที่ให้ความร้อน ความถี่ และปัจจัยการสูญเสีย

ความแรงของสนามไฟฟ้าในวัสดุที่ให้ความร้อนขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ε ' ตำแหน่งและรูปร่างของอิเล็กโทรดที่สร้างสนาม สำหรับกรณีที่พบบ่อยที่สุดในทางปฏิบัติ ตำแหน่งของขั้วไฟฟ้า ความแรงของสนามไฟฟ้าจะคำนวณโดยสูตรที่แสดงในรูปที่ 1

ข้าว. 1. เพื่อคำนวณความแรงของสนามไฟฟ้า: a - ตัวเก็บประจุทรงกระบอก, b - ตัวเก็บประจุชั้นเดียวแบบแบน, c, d - ตัวเก็บประจุหลายชั้นแบบแบนพร้อมการจัดเรียงของชั้นของวัสดุตามลำดับในแนวขวางและตามแนวสนามไฟฟ้า .

ควรสังเกตว่าค่าสูงสุดที่จำกัดของ Em นั้นถูกจำกัดโดยความแข็งแรงทางไฟฟ้าของวัสดุที่ให้ความร้อน แรงดันไฟฟ้าไม่ควรเกินครึ่งหนึ่งของแรงดันพังทลายความจุของเมล็ดพืชและพืชผักอยู่ในช่วง (5 … 10) 103 V / m สำหรับไม้ — (5 … 40) 103 V / m, โพลีไวนิลคลอไรด์ — (1 … 10 ) 105 V / m

ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสีย ε « ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างของวัสดุ อุณหภูมิและปริมาณความชื้น ความถี่และความแรงของสนามไฟฟ้าในวัสดุ

ลักษณะการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กตริกของวัสดุ

การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กตริกใช้ในอุตสาหกรรมและการเกษตรต่างๆ

ลักษณะสำคัญของการให้ความร้อนด้วยอิเล็กทริกมีดังนี้

1. ความร้อนถูกปล่อยออกมาในวัสดุที่ให้ความร้อนเองซึ่งทำให้สามารถเร่งการทำความร้อนได้หลายสิบหรือหลายร้อยเท่า (เทียบกับ การให้ความร้อนแบบพาความร้อน) โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่มีการนำความร้อนต่ำ (ไม้ เมล็ดพืช พลาสติก ฯลฯ ).

2. การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกเป็นแบบเลือกได้: พลังงานเชิงปริมาตรเฉพาะและดังนั้นอุณหภูมิของแต่ละส่วนประกอบของวัสดุที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันจึงแตกต่างกัน ฟังก์ชันนี้ใช้ในการเกษตร เช่น ในการฆ่าเชื้อเมล็ดข้าวและการดองหนอนไหม

3. ในระหว่างการอบแห้งแบบไดอิเล็กตริก ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาภายในวัสดุ ดังนั้นอุณหภูมิตรงกลางจึงสูงกว่าในบริเวณรอบนอก ความชื้นภายในวัสดุจะเปลี่ยนจากเปียกเป็นแห้งและจากร้อนเป็นเย็น ดังนั้น ในระหว่างการอบแห้งแบบพาความร้อน อุณหภูมิภายในวัสดุจะต่ำกว่าบริเวณรอบนอก และการไหลของความชื้นเนื่องจากการไล่ระดับอุณหภูมิจะป้องกันไม่ให้ความชื้นเคลื่อนที่ไปที่พื้นผิว สิ่งนี้จะลดประสิทธิภาพของการอบแห้งแบบพาความร้อนลงอย่างมาก ในการอบแห้งแบบไดอิเล็กตริก ฟลักซ์ความชื้นจะแปรผันตามความแตกต่างของอุณหภูมิและปริมาณความชื้นที่ตรงกันนี่คือข้อได้เปรียบหลักของการทำให้แห้งด้วยอิเล็กทริก

4. เมื่อให้ความร้อนและทำให้แห้งในสนามไฟฟ้าที่มีความถี่สูง ค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียจะลดลง และตามด้วยกำลังของการไหลของความร้อน เพื่อให้พลังงานอยู่ในระดับที่ต้องการ คุณต้องเปลี่ยนความถี่หรือแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวเก็บประจุ

การติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบอิเล็กทริก

อุตสาหกรรมนี้ผลิตทั้งการติดตั้งความถี่สูงเฉพาะสำหรับการรักษาความร้อนของผลิตภัณฑ์หนึ่งหรือหลายประเภท เช่นเดียวกับการติดตั้งสำหรับการใช้งานทั่วไป แม้จะมีความแตกต่างเหล่านี้ แต่การติดตั้งความถี่สูงทั้งหมดก็มีไดอะแกรมโครงสร้างเหมือนกัน (รูปที่ 2)

วัสดุถูกทำให้ร้อนในตัวเก็บประจุที่ใช้งานของอุปกรณ์ความถี่สูง 1. แรงดันไฟฟ้าความถี่สูงจ่ายให้กับตัวเก็บประจุที่ใช้งานผ่านบล็อกของวงจรสั่นกลาง 2 ซึ่งออกแบบมาสำหรับการควบคุมพลังงานและการควบคุมเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3. เครื่องกำเนิดหลอดไฟจะแปลง แรงดันไฟฟ้าตรงที่ได้รับจากวงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์ 4 ในแรงดันไฟฟ้าสลับความถี่สูง ในเวลาเดียวกันอย่างน้อย 20 ... 40% ของพลังงานทั้งหมดที่ได้รับจากวงจรเรียงกระแสจะใช้ในเครื่องกำเนิดหลอดไฟ

พลังงานส่วนใหญ่สูญเสียไปที่ขั้วบวกของหลอดไฟซึ่งจะต้องระบายความร้อนด้วยน้ำ ขั้วบวกของหลอดไฟนั้นจ่ายให้กับดิน 5 … 15 kV ดังนั้นระบบการจ่ายน้ำหล่อเย็นแบบแยกจึงซับซ้อนมาก Transformer 5 ได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของเครือข่ายเป็น 6 ... 10 kV และตัดการเชื่อมต่อสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครือข่ายไฟฟ้า บล็อก 6 ใช้เพื่อเปิดและปิดการติดตั้ง ดำเนินการทางเทคโนโลยีตามลำดับ และป้องกันโหมดฉุกเฉิน

การติดตั้งเครื่องทำความร้อนแบบอิเล็กทริกนั้นแตกต่างกันในด้านกำลังและความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในการก่อสร้างอุปกรณ์เสริมที่ออกแบบมาสำหรับการเคลื่อนย้ายและการถือครองวัสดุที่ผ่านการประมวลผลตลอดจนผลกระทบทางกลกับมัน

ข้าว. 2. บล็อกไดอะแกรมของการติดตั้งความถี่สูง: 1 - อุปกรณ์ความถี่สูงพร้อมตัวเก็บประจุโหลด 2 - บล็อกของวงจรสั่นระดับกลางพร้อมตัวควบคุมพลังงาน, ความจุและตัวเหนี่ยวนำตัดทอน, 3 - เครื่องกำเนิดหลอดไฟพร้อมการแยกขั้วบวกและเครือข่าย วงจร 4 — วงจรเรียงกระแสเซมิคอนดักเตอร์ : 5 — หม้อแปลงไฟฟ้าแบบ step-up, c — บล็อกป้องกันการติดตั้งจากโหมดการทำงานที่ผิดปกติ

อุตสาหกรรมผลิตการติดตั้งความถี่สูงจำนวนมากเพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ สำหรับการรักษาความร้อนของผลิตภัณฑ์จะใช้เครื่องกำเนิดความถี่สูงแบบอนุกรมซึ่งผลิตอุปกรณ์พิเศษ

การเลือกเครื่องกำเนิดความร้อนด้วยอิเล็กทริกนั้นขึ้นอยู่กับการกำหนดกำลังและความถี่

กำลังการสั่น Pg ของเครื่องกำเนิดความถี่สูงจะต้องมากกว่าการไหลของความร้อนФที่จำเป็นสำหรับการรักษาความร้อนของวัสดุตามค่าของการสูญเสียในตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้และบล็อกของวงจรสั่นระดับกลาง:

โดยที่ ηk คือประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุทำงาน ขึ้นอยู่กับพื้นที่ของพื้นผิวการถ่ายเทความร้อน ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัสดุกับตัวกลาง ηk = 0.8 ... 0.9, ηe คือประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของ วงจรสั่น ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl - ประสิทธิภาพ โดยคำนึงถึงการสูญเสียในสายเชื่อมต่อความถี่สูง ηl = 0.9 … 0.95

พลังงานที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้จากกริด:

ที่นี่ ηg คือประสิทธิภาพของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ηg = 0.65 … 0.85

ประสิทธิภาพรวมของการติดตั้งความถี่สูงนั้นพิจารณาจากผลคูณของประสิทธิภาพของหน่วยทั้งหมดและมีค่าเท่ากับ 0.3 ... ... 0.5

ประสิทธิภาพต่ำเช่นนี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ขัดขวางการใช้ความร้อนไดอิเล็กทริกอย่างแพร่หลายในการผลิตทางการเกษตร

ประสิทธิภาพด้านพลังงานของการติดตั้งความถี่สูงสามารถปรับปรุงได้โดยใช้ความร้อนที่กระจายออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ความถี่ของกระแสเมื่อเลือกไดอิเล็กตริกและเซมิคอนดักเตอร์ความร้อนตามการไหลของความร้อนที่ต้องการ F. ในการบำบัดความร้อนของผลิตภัณฑ์ทางการเกษตร การไหลของปริมาตรเฉพาะจะถูกจำกัดโดยอัตราการให้ความร้อนและการทำให้แห้งที่อนุญาต จากความสมดุลของแรงในตัวเก็บประจุงานที่เรามี

โดยที่ V คือปริมาตรของวัสดุที่ให้ความร้อน m3

ความถี่ขั้นต่ำที่กระบวนการทางเทคโนโลยีเกิดขึ้นที่ความเร็วที่กำหนด:

โดยที่ Emax คือความแรงของสนามไฟฟ้าสูงสุดที่อนุญาตในวัสดุ V / m

เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น Em จะลดลง ดังนั้นความน่าเชื่อถือของกระบวนการทางเทคโนโลยีจึงเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดบางประการในการเพิ่มความถี่ ไม่สามารถเพิ่มความถี่ได้หากอัตราส่วนการสูญเสียลดลงอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การจับคู่พารามิเตอร์ของโหลดและเจเนอเรเตอร์จะยากขึ้นเรื่อยๆ ความถี่สูงสุด Hz ซึ่งระบุข้อตกลงนี้:

โดยที่ L และ C เป็นค่าเทียบเท่าขั้นต่ำที่เป็นไปได้ของความเหนี่ยวนำและความจุของวงจรโหลดด้วยตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้

ด้วยขนาดเชิงเส้นขนาดใหญ่ของตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้ การเพิ่มความถี่สามารถนำไปสู่การกระจายแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดที่ไม่สม่ำเสมอ และทำให้ความร้อนไม่สม่ำเสมอ ความถี่สูงสุดที่อนุญาต Hz สำหรับเงื่อนไขนี้

โดยที่ l คือขนาดแผ่นที่ใหญ่ที่สุดของตัวเก็บประจุที่ใช้งานได้ m