电介质加热

什么是介电加热

电介质加热是指电介质和半导体在交变电场的影响下被加热的材料被极化的加热。极化是相关电荷位移的过程，导致在每个宏观体积元素处出现电矩。

极化分为弹性和松弛：弹性（无惯性）决定电场的能量，松弛（惯性）决定被加热物质释放的热量。在由外部电场引起的弛豫极化中，完成了克服原子、分子、带电复合物的内部键（“摩擦”）的力的工作。这项工作的一半转化为热量。

电介质中释放的功率通常指的是体积单位，计算公式为

其中 γ 是材料的复共轭电导，EM 是材料中的电场强度。

复杂传导

这里，εr 是总复数介电常数。

ε' 的实部称为介电常数，会影响材料中可储存的能量。 ε « 的虚部，称为损耗因子，是材料中耗散的能量（热量）的量度。

损耗因子考虑了由于极化电流和漏电流而在材料中耗散的能量。

实际上，计算使用称为损耗角正切的值：

损耗角的正切决定了加热消耗的能量与储存的电磁振荡能量之比。

考虑到上述情况，体积比有功功率 W / m3：

或者

因此，比体积功率与加热材料中电场强度的平方、频率和损耗因子成正比。

加热材料中的电场强度取决于施加的电压、介电常数ε'、形成电场的电极的位置和形状。对于实践中一些最常见的情况，电极的位置、电场强度的计算公式如图 1 所示。

米。 1、对电场强度的计算：a——圆柱形电容器，b——平面单层电容器，c、d——平面多层电容器，分别在横向和沿电场排列多层材料.

需要注意的是，Em 的极限最大值受加热材料的电气强度限制。电压不应超过击穿电压的一半。谷物和蔬菜作物种子的容量范围为 (5 ... 10) 103 V / m，木材 — (5 ... 40) 103 V / m，聚氯乙烯 — (1 ... 10) 105 V / m。

损耗系数 ε « 取决于材料的化学成分和结构、温度和水分含量，以及材料中电场的频率和强度。

材料的介电加热特性

电介质加热用于各种工业和农业。

电介质加热的主要特点如下。

1. 热量在被加热的材料本身释放，可以使加热速度提高数十倍、数百倍（与对流加热相比），这对于导热系数低的材料（木材、粮食、塑料等）尤为明显。 ).

2. 电介质加热是选择性的：比体积功率不同，相应地，非均质材料的每个组分的温度也不同。此功能用于农业，例如消毒谷物和腌制蚕，

3、介电干燥时，物料内部放热，因此中心温度高于周边。材料内部的水分从湿变干，从热变冷。因此，在对流干燥过程中，材料内部的温度低于外围温度，并且由于温度梯度导致的水分流动阻止了水分移动到表面。这大大降低了对流干燥的有效性。在介电干燥中，由于温差和水分含量导致的水分通量一致。这是介电干燥的主要优点。

4. 在高频电场中加热干燥时，损耗系数降低，热流功率相应降低。为了将功率保持在所需水平，您需要更改提供给电容器的频率或电压。

电介质加热装置

该行业既生产用于对一种或多种产品进行热处理的专用高频设备，也生产一般用途的设备。尽管存在这些差异，但所有高频装置都具有相同的结构图（图 2）。

材料在高频器件的工作电容中被加热 1. 高频电压通过中间振荡电路块提供给工作电容 2，设计用于功率调节和发生器调节 3. 灯发生器转换从半导体整流器4接收到的直流电压为高频交流电压。同时，从整流器接收的所有能量中至少有 20 ... 40% 用于灯发生器。

大部分能量在灯的阳极处损失，必须用水冷却。灯的阳极相对于大地提供 5 … 15 kV，因此冷却水的隔离供应系统非常复杂。变压器 5 旨在将网络电压增加到 6 ... 10 kV 并断开发电机与电网之间的导电连接。块 6 用于打开和关闭安装、顺序执行技术操作和防止紧急模式。

电介质加热装置在发电机的功率和频率、为移动和保持加工材料而设计的辅助设备的结构以及对其的机械冲击方面各不相同。

米。 2. 高频装置框图：1 - 带有负载电容器的高频器件，2 - 带有功率调节器、微调电容和电感的中间振荡电路块，3 - 阳极和网络分离的灯发生器电路，4 — 半导体整流器：5 — 升压变压器，c — 阻止安装免受异常操作模式的影响。

该行业生产大量用于各种用途的高频装置。对于产品的热处理，使用系列高频发生器，为此制造专用设备。

选择使用电介质加热的发电机归结为确定其功率和频率。

高频发生器的振荡功率 Pg 必须大于材料热处理所需的热流 Ф 工作电容器和中间振荡电路块中的损耗值：

其中ηk为工作电容器的效率，取决于传热面的面积、传热系数和材料与介质的温差ηk = 0.8 ... 0.9，ηe为电效率振荡电路 ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl — 效率，考虑到高频连接线中的损耗 ηl = 0.9 ... 0.95。

发电机从电网消耗的功率：

这里 ηg 是发电机效率 ηg = 0.65 … 0.85。

高频装置的总效率由其所有单元的效率乘积决定，等于0.3……0.5。

如此低的效率是阻碍电介质加热在农业生产中广泛应用的重要因素。

高频装置的能源性能可以通过使用发电机散发的热量来提高。

加热电介质和半导体时电流的频率是根据所需的热流F来选择的。在农产品的热处理中，比容流量受允许的加热和干燥速率的限制。从工作电容器中的力平衡我们有

其中 V 是加热材料的体积，m3。

工艺过程以给定速度发生的最低频率：

其中Emax为材料中允许的最大电场强度，V/m。

随着频率的增加，Em 降低，因此工艺过程的可靠性增加。但是，增加频率有一些限制。如果丢失率急剧下降，则增加频率是不切实际的。此外，随着频率的增加，负载和发电机的参数匹配变得越来越困难。提供本协议的最大频率，Hz：

其中 L 和 C 是具有工作电容器的负载电路的电感和电容的最小可能等效值。

由于工作电容器的线性尺寸较大，频率的增加会导致电极上的电压分布不均匀，从而导致加热不均匀。此条件下的最大允许频率 Hz

其中 l 是工作电容器的最大极板尺寸，m。