Физические основы диэлектрического нагрева

 

Использование электрического тока, проходящего через диэлектрики и полупроводники в переменном электрическом поле, является основой диэлектрического нагрева, который имеет преимущества перед другими способами нагрева. Это быстрота, равномерность и высокая производительность. С энергетической точки зрения такой нагрев является наиболее эффективным, поскольку при его осуществлении вся энергия вносится в массу нагреваемого материала.

По технологическим признакам установки высокочастотного диэлектрического нагрева подразделяют на три вида.

Установки первого вида используются в процессах промышленной обработки крупных изделий, требующих быстрого нагрева в однородном электрическом поле: сушка волокон шерсти или хлопка, фарфоровых изделий,лесоматериалов,целлюлозы и обжиг крупных электроизоляторов и производство звуко- и теплоизоляционных материалов, сварка пластмасс и т.д..

Установки второго вида применяются для нагрева протяженных плоских изделий: сушка текстильного волокна, рисунков на тканях, бумаги, фотопленки, химических и фармацевтических препаратов, полимеризации клеев, нагрев каучука, пастеризация т. д.

В установках третьего вида проводятся процессы, не требующие быстрого и однородного нагрева: размораживание продуктов, разогрев и быстрое приготовление блюд, обжиг простых керамических изделий, сушка грибов, чая и т. п.

Использование высокочастотного нагрева позволяет повысить качество продукции, ускорить технологические процессы и получить при массовом производстве большую экономию, несмотря на высокую стоимость оборудования.

Частицы диэлектрика, помещенного в электрическое поле, испытывают механическое воздействие, смещающее положительно заряженные частицы в одну сторону, а отрицательно — в другую, В результате центры электрического действия положительных и отрицательных частиц не совпадают и во внешнем пространстве такая молекула воспринимается как диполь, т. е. как система двух равных, но противоположных зарядов +q и -q, смещенных друг относительно друга на расстояние (рис. 2.52,а). Такой диэлектрик, имеющий ориентированные в одном направлении диполи, называют поляризованным. Произведение заряда частицы на смещение l называют электрическим моментом диполя m=gl (Кл-м), который связан с напряженностью электрического поля Е соотношением m=αE, где α — мера упругой деформации молекулы или атома — их поляризуемость.

Различают несколько видов поляризации.

Электронная поляризация атомов вызвана смещением электронного облака относительно ядра атома и приобретением последним индуцированного дипольного момента (рис. 2.52,а). Время собственных колебаний электронов составляет 10-14—10-15 с, за это же время устанавливается электронная поляризация.

Ионная поляризация молекул вызвана упругим смещением ионов в твердых диэлектриках с ионной кристаллической решеткой (ионы Na+и С1- в поваренной соли). 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. 2.52,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. 2.53.) характеризует потери в диэлектрике и называется углом диэлектрических потерь.Происходящие в диэлектрике 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

Рис. 22.52. Виды поляризации диэлектрика в электрическом поле: а – поляризация атомов; б-ориентационная поляризация

Рис. 2.53. Векторная диаграмма токов в диэлектрике в переменном электрическом поле.

Рис.2.54.Зависимость ε и tgδ от частоты изменения электрического поля.

 

 

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

 

I = I_п + I_см = (g + jωC)U.                                                               (2.51)

 

Отношение тока проводимости к току смещения I_n / I_cм = 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. 2.54. Величина tgδ имеет максимум при так называемой релаксационной частоте f_o, характерной для каждого материала.

Выделяющуюся в диэлектрике мощность можно получить из векторной диаграммы

Р = UIcosφ ≈ UItgδ = ωCU²tgδ,                                                      (2.52)   

 

где ω = 2πf – угловая скорость, рад/с; С – емкость плоского конденсатора, Ф: C= εε_oS/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 Sd и напряженность электрического поля Е= U/d (В/м), мощность Р₀ (Вт/м³), выделяющаяся в единице объема диэлектрика,

P_o=5,56.10^-11fE²εtgδ.                                                                       (2.53)

 

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=С_рγ(ΔТ/Δτ)/η_t,                                                                    (2.54)

 

где С_р — удельная теплоемкость материала, Дж/(г·К); γ —плотность материала, г/см³; ΔТ/Δτ — 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)·(ΔM /Δτ),                                                                      (2.55)

 

где L — скрытая теплота парообразования при данной температуре нагрева, Дж/г; ΔM /Δτ — скорость испарения, Г/(см³·с).

Анализ уравнений (2.53) —(2.55) 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.