Aquecimento dielétrico

O que é aquecimento dielétrico

O aquecimento dielétrico refere-se ao aquecimento de dielétricos e semicondutores em um campo elétrico alternado sob a influência do qual o material aquecido é polarizado. A polarização é um processo de deslocamento de cargas associadas, levando ao aparecimento de um momento elétrico em cada elemento de volume macroscópico.

A polarização é dividida em elástica e relaxação: elástica (sem inércia) determina a energia do campo elétrico e relaxação (inercial) determina o calor liberado no material aquecido. Na polarização de relaxamento por um campo elétrico externo, o trabalho é feito para superar as forças das ligações internas ("atrito") de átomos, moléculas, complexos carregados. Metade desse trabalho é convertido em calor.

A potência liberada em um dielétrico é geralmente referida a uma unidade de volume e é calculada pela fórmula

onde γ é a condutância conjugada complexa do material, EM é a intensidade do campo elétrico no material.

Condução complexa

Aqui, εr é a constante dielétrica complexa total.

A parte real de ε', chamada de constante dielétrica, afeta a quantidade de energia que pode ser armazenada em um material. A parte imaginária de ε «, chamada de fator de perda, é uma medida da energia (calor) dissipada no material.

O fator de perda leva em consideração a energia dissipada no material devido tanto à polarização quanto às correntes de fuga.

Na prática, os cálculos usam um valor chamado de tangente do ângulo de perda:

A tangente do ângulo de perda determina a relação entre a energia gasta no aquecimento e a energia armazenada das oscilações eletromagnéticas.

Considerando o exposto, a potência ativa específica volumétrica, W/m3:

ou

Assim, a potência volumétrica específica é proporcional ao quadrado da intensidade do campo elétrico no material aquecido, a frequência e o fator de perda.

A força do campo elétrico no material aquecido depende da tensão aplicada, da constante dielétrica ε ', da localização e forma dos eletrodos que formam o campo. Para alguns dos casos mais comuns na prática, a localização dos eletrodos, a intensidade do campo elétrico é calculada pelas fórmulas mostradas na Figura 1.

Arroz. 1. Para o cálculo da força do campo elétrico: a — capacitor cilíndrico, b — capacitor plano de camada única, c, d — capacitor multicamada plano com arranjo de camadas de materiais, respectivamente, transversalmente e ao longo do campo elétrico .

Deve-se notar que o valor máximo limite de Em é limitado pela força elétrica do material aquecido. A tensão não deve exceder a metade da tensão de ruptura.A capacidade para sementes de grãos e hortaliças é tomada na faixa (5 … 10) 103 V / m, para madeira - (5 … 40) 103 V / m, cloreto de polivinila - (1 … 10 ) 105 V / m.

O coeficiente de perda ε « depende da composição química e estrutura do material, sua temperatura e teor de umidade, da frequência e força do campo elétrico no material.

Características de aquecimento dielétrico de materiais

O aquecimento dielétrico é usado em várias indústrias e na agricultura.

As principais características do aquecimento dielétrico são as seguintes.

1. O calor é liberado no próprio material aquecido, o que permite acelerar o aquecimento em dezenas e centenas de vezes (em comparação com o aquecimento convectivo). Isso é especialmente perceptível para materiais com baixa condutividade térmica (madeira, grãos, plásticos, etc. ).

2. O aquecimento dielétrico é seletivo: a potência volumétrica específica e, consequentemente, a temperatura de cada componente de um material não homogêneo é diferente. Esta função é utilizada na agricultura, por exemplo, na desinfecção de grãos e na decapagem de bichos-da-seda,

3. Durante a secagem dielétrica, o calor é liberado no interior do material e, portanto, a temperatura no centro é maior do que na periferia. A umidade dentro do material se move de úmido para seco e de quente para frio. Assim, durante a secagem convectiva, a temperatura no interior do material é menor do que na periferia, e o fluxo de umidade devido ao gradiente de temperatura impede que a umidade se mova para a superfície. Isso reduz muito a eficácia da secagem convectiva. Na secagem dielétrica, os fluxos de umidade devido à diferença de temperatura e o teor de umidade coincidem.Esta é a principal vantagem da secagem dielétrica.

4. Ao aquecer e secar em um campo elétrico com alta frequência, o coeficiente de perda diminui e, consequentemente, a potência do fluxo de calor. Para manter a potência no nível necessário, é necessário alterar a frequência ou a tensão fornecida ao capacitor.

Instalações de aquecimento dielétrico

A indústria produz tanto instalações especializadas de alta frequência destinadas ao tratamento térmico de um ou vários tipos de produtos, como instalações para uso geral. Apesar dessas diferenças, todas as instalações de alta frequência têm o mesmo diagrama estrutural (Fig. 2).

O material é aquecido no capacitor de trabalho do dispositivo de alta frequência 1. A tensão de alta frequência é fornecida ao capacitor de trabalho através do bloco de circuitos oscilantes intermediários 2, projetado para regulação de energia e regulação do gerador 3. O gerador de lâmpadas converte o tensão direta recebida do retificador semicondutor 4, em tensão alternada de alta frequência. Ao mesmo tempo, pelo menos 20 ... 40% de toda a energia recebida do retificador é gasta no gerador de lâmpadas.

A maior parte da energia é perdida no ânodo da lâmpada, que deve ser resfriado pela água. O ânodo da lâmpada é alimentado em relação à terra 5 … 15 kV, portanto o sistema de abastecimento isolado de água de resfriamento é muito complexo. O transformador 5 foi projetado para aumentar a tensão da rede para 6 ... 10 kV e desconectar a conexão condutiva entre o gerador e a rede elétrica. O bloco 6 é utilizado para ligar e desligar a instalação, realizar sequencialmente operações tecnológicas e proteger contra modos de emergência.

As instalações de aquecimento dielétrico diferem entre si na potência e frequência do gerador, na construção de equipamentos auxiliares projetados para mover e segurar o material processado, bem como no impacto mecânico sobre ele.

Arroz. 2. Diagrama de blocos da instalação de alta frequência: 1 — dispositivo de alta frequência com capacitor de carga, 2 — bloco de circuitos oscilantes intermediários com regulador de potência, ajustando capacitâncias e indutâncias, 3 — gerador de lâmpadas com separação de ânodos e rede circuitos, 4 — retificador semicondutor: 5 — transformador elevador, c — bloco protegendo a instalação de modos de operação anormais.

A indústria produz um grande número de instalações de alta frequência para diversos fins. Para o tratamento térmico de produtos, são utilizados geradores seriais de alta frequência, para os quais são fabricados dispositivos especializados.

Escolher um gerador para aquecimento com um dielétrico se resume a determinar sua potência e frequência.

A potência oscilante Pg do gerador de alta frequência deve ser maior que o fluxo de calor Ф necessário para o tratamento térmico do material pelo valor das perdas no capacitor de trabalho e no bloco dos circuitos oscilantes intermediários:

onde ηk é a eficiência do capacitor de trabalho, dependendo da área da superfície de transferência de calor, do coeficiente de transferência de calor e da diferença de temperatura entre o material e o meio ηk = 0,8 ... 0,9, ηe é a eficiência elétrica do o circuito oscilante ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — eficiência, levando em conta as perdas em fios de conexão de alta frequência ηl = 0,9 … 0,95.

Potência consumida pelo gerador da rede:

Aqui ηg é a eficiência do gerador ηg = 0,65 … 0,85.

A eficiência total de uma instalação de alta frequência é determinada pelo produto da eficiência de todas as suas unidades e é igual a 0,3 ... ... 0,5.

Essa baixa eficiência é um fator importante que impede o uso generalizado de aquecimento dielétrico na produção agrícola.

O desempenho energético das instalações de alta frequência pode ser melhorado utilizando o calor dissipado pelo gerador.

A frequência da corrente ao aquecer dielétricos e semicondutores é selecionada com base no fluxo de calor F necessário. No tratamento térmico de produtos agrícolas, o fluxo de volume específico é limitado pela taxa permitida de aquecimento e secagem. Do equilíbrio de forças no capacitor de trabalho, temos

onde V é o volume de material aquecido, m3.

A frequência mínima na qual o processo tecnológico ocorre a uma determinada velocidade:

onde Emax é a intensidade máxima do campo elétrico permitido no material, V/m.

À medida que a frequência aumenta, Em diminui e, portanto, a confiabilidade do processo tecnológico aumenta. No entanto, existem algumas limitações para aumentar a frequência. É impraticável aumentar a frequência se a taxa de perda cair drasticamente. Além disso, à medida que a frequência aumenta, torna-se cada vez mais difícil combinar os parâmetros da carga e do gerador. Frequência máxima, Hz, na qual este contrato é fornecido:

onde L e C são os valores equivalentes mínimos possíveis de indutância e capacitância do circuito de carga com um capacitor de trabalho.

Com grandes dimensões lineares do capacitor de trabalho, um aumento na frequência pode levar a uma distribuição desigual de tensão no eletrodo e, portanto, a um aquecimento desigual. A frequência máxima permitida, Hz, para esta condição

onde l é o maior tamanho da placa do capacitor de trabalho, m.