Calentamiento dieléctrico
¿Qué es el calentamiento dieléctrico?
El calentamiento dieléctrico se refiere al calentamiento de dieléctricos y semiconductores en un campo eléctrico alterno bajo cuya influencia se polariza el material calentado. La polarización es un proceso de desplazamiento de cargas asociadas, que conduce a la aparición de un momento eléctrico en cada elemento de volumen macroscópico.
La polarización se divide en elástica y relajación: elástica (sin inercia) determina la energía del campo eléctrico y relajación (inercial) determina el calor liberado en el material calentado. En la polarización de relajación por un campo eléctrico externo, se realiza trabajo para vencer las fuerzas de los enlaces internos ("fricción") de átomos, moléculas, complejos cargados. La mitad de este trabajo se convierte en calor.
La potencia liberada en un dieléctrico generalmente se refiere a una unidad de volumen y se calcula mediante la fórmula
donde γ es la conductancia conjugada compleja del material, EM es la intensidad del campo eléctrico en el material.
Conducción compleja
Aquí, εr es la constante dieléctrica compleja total.
La parte real de ε', llamada constante dieléctrica, afecta la cantidad de energía que se puede almacenar en un material. La parte imaginaria de ε «, llamada factor de pérdida, es una medida de la energía (calor) disipada en el material.
El factor de pérdida tiene en cuenta la energía disipada en el material debido tanto a la polarización como a las corrientes de fuga.
En la práctica, los cálculos utilizan un valor denominado tangente del ángulo de pérdida:
La tangente del ángulo de pérdida determina la relación entre la energía gastada en el calentamiento y la energía almacenada de las oscilaciones electromagnéticas.
Considerando lo anterior, la potencia activa específica volumétrica, W/m3:
o
Por lo tanto, la potencia de volumen específico es proporcional al cuadrado de la intensidad del campo eléctrico en el material calentado, la frecuencia y el factor de pérdida.
La fuerza del campo eléctrico en el material calentado depende del voltaje aplicado, la constante dieléctrica ε', la ubicación y forma de los electrodos que forman el campo. Para algunos de los casos más comunes en la práctica, la ubicación de los electrodos, la fuerza del campo eléctrico se calcula mediante las fórmulas que se muestran en la Figura 1.
Arroz. 1. Para el cálculo de la fuerza del campo eléctrico: a — condensador cilíndrico, b — condensador plano de una sola capa, c, d — condensador plano de varias capas con una disposición de capas de materiales, respectivamente, en transversal y a lo largo del campo eléctrico .
Cabe señalar que el valor máximo límite de Em está limitado por la fuerza eléctrica del material calentado. El voltaje no debe exceder la mitad del voltaje de ruptura.La capacidad para semillas de cultivos de cereales y hortalizas se toma en el rango (5 … 10) 103 V / m, para madera — (5 … 40) 103 V / m, cloruro de polivinilo — (1 … 10 ) 105 V / m.
El coeficiente de pérdida ε « depende de la composición química y la estructura del material, su temperatura y contenido de humedad, de la frecuencia y la fuerza del campo eléctrico en el material.
Características de calentamiento dieléctrico de los materiales.
El calentamiento dieléctrico se utiliza en diversas industrias y en la agricultura.
Las principales características del calentamiento dieléctrico son las siguientes.
1. El calor se libera en el propio material calentado, lo que permite acelerar el calentamiento decenas y cientos de veces (en comparación con el calentamiento por convección).Esto es especialmente notable en materiales con baja conductividad térmica (madera, granos, plásticos, etc.). ).
2. El calentamiento dieléctrico es selectivo: la potencia volumétrica específica y, en consecuencia, la temperatura de cada componente de un material no homogéneo es diferente. Esta función se utiliza en la agricultura, por ejemplo, para desinfectar granos y decapar gusanos de seda,
3. Durante el secado dieléctrico se libera calor en el interior del material y por tanto la temperatura en el centro es mayor que en la periferia. La humedad dentro del material pasa de húmedo a seco y de caliente a frío. Entonces, durante el secado por convección, la temperatura dentro del material es más baja que en la periferia, y el flujo de humedad debido al gradiente de temperatura evita que la humedad se mueva hacia la superficie. Esto reduce en gran medida la eficacia del secado por convección. En el secado dieléctrico, los flujos de humedad debido a la diferencia de temperatura y el contenido de humedad coinciden.Esta es la principal ventaja del secado dieléctrico.
4. Al calentar y secar en un campo eléctrico de alta frecuencia, el coeficiente de pérdida disminuye y, en consecuencia, la potencia del flujo de calor. Para mantener la potencia en el nivel requerido, debe cambiar la frecuencia o el voltaje suministrado al capacitor.
Instalaciones de calefacción dieléctrica
La industria produce tanto instalaciones especializadas de alta frecuencia destinadas al tratamiento térmico de uno o varios tipos de productos, como instalaciones de uso general. A pesar de estas diferencias, todas las instalaciones de alta frecuencia tienen el mismo esquema estructural (Fig. 2).
El material se calienta en el condensador de trabajo del dispositivo de alta frecuencia 1. El voltaje de alta frecuencia se suministra al condensador de trabajo a través del bloque de circuitos intermedios oscilantes 2, diseñados para la regulación de potencia y la regulación del generador 3. El generador de lámparas convierte el tensión continua recibida del rectificador semiconductor 4, en tensión alterna de alta frecuencia. Al mismo tiempo, al menos 20 ... 40% de toda la energía recibida del rectificador se gasta en el generador de lámparas.
La mayor parte de la energía se pierde en el ánodo de la lámpara, que debe enfriarse con agua. El ánodo de la lámpara se alimenta respecto a tierra 5…15 kV, por lo que el sistema de alimentación aislada de agua de refrigeración es muy complejo. El transformador 5 está diseñado para aumentar el voltaje de la red a 6 ... 10 kV y desconectar la conexión conductora entre el generador y la red eléctrica. El bloque 6 se utiliza para encender y apagar la instalación, realizar secuencialmente operaciones tecnológicas y proteger contra modos de emergencia.
Las instalaciones de calefacción dieléctrica difieren entre sí en la potencia y frecuencia del generador, en la construcción de equipos auxiliares diseñados para mover y sostener el material procesado, así como para impactar mecánicamente sobre él.
Arroz. 2. Diagrama de bloques de la instalación de alta frecuencia: 1 — dispositivo de alta frecuencia con un condensador de carga, 2 — un bloque de circuitos oscilantes intermedios con un regulador de potencia, capacitancias e inductancias de ajuste, 3 — generador de lámparas con separación de ánodos y red circuitos, 4 — rectificador de semiconductores : 5 — transformador elevador, c — bloque que protege la instalación de modos de funcionamiento anormales.
La industria produce un gran número de instalaciones de alta frecuencia para diversos fines. Para el tratamiento térmico de productos, se utilizan generadores de alta frecuencia en serie, para los cuales se fabrican dispositivos especializados.
Elegir un generador para calentar con un dieléctrico se reduce a determinar su potencia y frecuencia.
La potencia oscilante Pg del generador de alta frecuencia debe ser mayor que el flujo de calor Ф necesario para el tratamiento térmico del material por el valor de las pérdidas en el condensador de trabajo y el bloque de los circuitos oscilantes intermedios:
donde ηk es la eficiencia del capacitor de trabajo, dependiendo del área de la superficie de transferencia de calor, el coeficiente de transferencia de calor y la diferencia de temperatura entre el material y el medio ηk = 0.8 ... 0.9, ηe es la eficiencia eléctrica de el circuito oscilante ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — eficiencia, teniendo en cuenta las pérdidas en los cables de conexión de alta frecuencia ηl = 0,9 ... 0,95.
Potencia consumida por el generador de la red:
Aquí ηg es la eficiencia del generador ηg = 0,65 … 0,85.
La eficiencia total de una instalación de alta frecuencia viene determinada por el producto de la eficiencia de todas sus unidades y es igual a 0,3 ... ... 0,5.
Esta baja eficiencia es un factor importante que impide el uso generalizado del calentamiento dieléctrico en la producción agrícola.
El rendimiento energético de las instalaciones de alta frecuencia se puede mejorar utilizando el calor disipado por el generador.
La frecuencia de la corriente cuando se calientan dieléctricos y semiconductores se selecciona en función del flujo de calor F requerido. En el tratamiento térmico de productos agrícolas, el flujo de volumen específico está limitado por la tasa permisible de calentamiento y secado. Del balance de fuerzas en el capacitor de trabajo tenemos
donde V es el volumen de material calentado, m3.
La frecuencia mínima a la que se lleva a cabo el proceso tecnológico a una velocidad dada:
donde Emax es la máxima intensidad de campo eléctrico admisible en el material, V/m.
A medida que aumenta la frecuencia, Em disminuye y por lo tanto aumenta la confiabilidad del proceso tecnológico. Sin embargo, existen algunas limitaciones para aumentar la frecuencia. No es práctico aumentar la frecuencia si la tasa de pérdida cae bruscamente. Además, a medida que aumenta la frecuencia, se vuelve cada vez más difícil hacer coincidir los parámetros de la carga y el generador. Frecuencia máxima, Hz, a la que se proporciona este acuerdo:
donde L y C son los valores equivalentes mínimos posibles de inductancia y capacitancia del circuito de carga con un capacitor de trabajo.
Con grandes dimensiones lineales del capacitor de trabajo, un aumento en la frecuencia puede conducir a una distribución desigual del voltaje en el electrodo y, por lo tanto, a un calentamiento desigual. La frecuencia máxima permitida, Hz, para esta condición
donde l es el tamaño de placa más grande del condensador de trabajo, m.