유전체 가열

유전체 가열이란?

유전체 가열은 가열된 재료가 분극화되는 영향으로 교류 전기장에서 유전체와 반도체를 가열하는 것을 말합니다. 분극화는 각 거시적 볼륨 요소에서 전기 모멘트의 출현으로 이어지는 관련 전하의 변위 프로세스입니다.

분극은 탄성과 이완으로 나뉩니다. 탄성 (관성 없음)은 전기장의 에너지를 결정하고 이완 (관성)은 가열 된 재료에서 방출되는 열을 결정합니다. 외부 전기장에 의한 이완 분극에서는 원자, 분자, 하전 복합체의 내부 결합력("마찰")을 극복하기 위한 작업이 수행됩니다. 이 작업의 절반은 열로 변환됩니다.

유전체에서 방출되는 전력은 일반적으로 부피 단위로 표시되며 다음 공식으로 계산됩니다.

여기서 γ는 재료의 복소 공액 컨덕턴스이고 EM은 재료의 전계 강도입니다.

복잡한 전도

여기서 εr은 전체 복소유전율이다.

유전 상수라고 하는 ε'의 실수 부분은 재료에 저장할 수 있는 에너지의 양에 영향을 미칩니다. 손실 계수라고 하는 ε«의 허수 부분은 재료에서 소산되는 에너지(열)의 척도입니다.

손실 계수는 분극 및 누설 전류로 인해 재료에서 소산되는 에너지를 고려합니다.

실제로 계산에서는 손실 각도 탄젠트라는 값을 사용합니다.

손실 각도의 접선은 전자기 진동의 저장된 에너지에 대한 가열에 소비되는 에너지의 비율을 결정합니다.

위의 내용을 고려하여 체적 비 유효 전력 W / m3 :

또는

따라서 비체적 전력은 가열된 재료의 전계 강도, 주파수 및 손실 계수의 제곱에 비례합니다.

가열된 물질에서 전기장의 강도는 인가된 전압, 유전 상수 ε', 전기장을 형성하는 전극의 위치 및 모양에 따라 달라집니다. 실제로 가장 일반적인 경우인 전극의 위치, 전기장의 강도는 그림 1에 표시된 공식으로 계산됩니다.

쌀. 1. 전계 강도 계산: a - 원통형 커패시터, b - 편평한 단층 커패시터, c, d - 전계 및 전계를 따라 각각 재료 층이 배열된 편평한 다층 커패시터 .

Em의 제한 최대값은 가열된 재료의 전기적 강도에 의해 제한된다는 점에 유의해야 합니다. 전압은 항복 전압의 절반을 초과해서는 안됩니다.곡물 및 채소 작물의 종자 용량은 (5 … 10) 103 V / m, 목재 — (5 … 40) 103 V / m, 폴리 염화 비닐 — (1 … 10 ) 105 V / m의 범위에서 가져옵니다.

손실 계수 ε «는 재료의 화학적 구성 및 구조, 온도 및 수분 함량, 재료의 전기장의 주파수 및 강도에 따라 달라집니다.

재료의 유전체 가열 특성

유전체 가열은 다양한 산업 및 농업에 사용됩니다.

유전체 가열의 주요 특성은 다음과 같습니다.

1. 가열된 재료 자체에서 열이 방출되어 수십, 수백 배의 가열 가속이 가능합니다.(대류 가열에 비해) 이는 열전도율이 낮은 재료(목재, 곡물, 플라스틱 등)에서 특히 두드러집니다. ).

2. 유전체 가열은 선택적입니다. 특정 체적 전력과 그에 따라 불균질 재료의 각 구성 요소의 온도가 다릅니다. 이 기능은 곡물 소독 및 누에 절임과 같은 농업에서 사용됩니다.

3. 유전체 건조시 재료 내부에서 열이 방출되므로 중앙의 온도가 주변보다 높습니다. 재료 내부의 수분은 습한 곳에서 건조한 곳으로, 더운 곳에서 찬 곳으로 이동합니다. 따라서 대류 건조시 재료 내부의 온도는 주변보다 낮고 온도 구배로 인한 수분의 흐름은 수분이 표면으로 이동하는 것을 방지합니다. 이는 대류 건조의 효율성을 크게 감소시킵니다. 유전체 건조에서는 온도 차이로 인한 수분 플럭스와 수분 함량이 일치합니다.이것이 유전체 건조의 주요 이점입니다.

4. 고주파 전기장에서 가열 및 건조하면 손실 계수가 감소하여 열 흐름의 힘이 감소합니다. 전력을 필요한 수준으로 유지하려면 커패시터에 공급되는 주파수 또는 전압을 변경해야 합니다.

유전체 가열 설비

업계에서는 하나 또는 여러 유형의 제품을 열처리하기 위한 특수 고주파 설비와 일반 용도 설비를 모두 생산합니다. 이러한 차이에도 불구하고 모든 고주파 설치는 동일한 구조 다이어그램을 갖습니다(그림 2).

재료는 고주파 장치 1의 작동 커패시터에서 가열됩니다. 고주파 전압은 전력 조절 및 발전기 조절을 위해 설계된 중간 발진 회로 2 블록을 통해 작동 커패시터에 공급됩니다. 3. 램프 생성기는 고주파 교류 전압에서 반도체 정류기(4)로부터 받은 직류 전압. 동시에 정류기에서 받은 모든 에너지의 최소 20 ~ 40%가 램프 발생기에서 소비됩니다.

대부분의 에너지는 물로 냉각되어야 하는 램프의 양극에서 손실됩니다. 램프의 양극은 대지 5 ~ 15kV에 대해 공급되므로 냉각수를 분리 공급하는 시스템은 매우 복잡합니다. Transformer 5는 네트워크 전압을 6 ... 10kV로 높이고 발전기와 전기 네트워크 사이의 전도성 연결을 분리하도록 설계되었습니다. 블록 6은 설치를 켜고 끄고 순차적으로 기술 작업을 수행하며 비상 모드로부터 보호하는 데 사용됩니다.

유전체 가열 설비는 발전기의 전력 및 주파수, 처리된 재료를 이동 및 유지하도록 설계된 보조 장비의 구성 및 기계적 충격에 대해 서로 다릅니다.

쌀. 2. 고주파 설치의 블록 다이어그램: 1 — 부하 커패시터가 있는 고주파 장치, 2 — 전원 조정기가 있는 중간 발진 회로 블록, 커패시턴스 및 인덕턴스 트리밍, 3 — 양극과 네트워크가 분리된 램프 생성기 회로, 4 — 반도체 정류기 : 5 — 승압 변압기, c — 비정상적인 작동 모드로부터 설비를 보호하는 블록.

업계에서는 다양한 목적을 위해 다수의 고주파 설비를 생산합니다. 제품의 열처리를 위해 특수 장치가 제조되는 직렬 고주파 발생기가 사용됩니다.

유전체로 가열하기 위한 발전기를 선택하는 것은 전력과 주파수를 결정하는 것입니다.

고주파 발생기의 발진 전력 Pg는 작동 커패시터의 손실 값과 중간 발진 회로의 블록에 의해 재료의 열처리에 필요한 열 흐름 Ф보다 커야합니다.

여기서 ηk는 열 전달 표면의 면적, 열 전달 계수 및 재료와 매체 사이의 온도 차이에 따라 작동 커패시터의 효율입니다. ηk = 0.8 ... 0.9, ηe는 전기 효율입니다. 발진 회로 ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl - 고주파 연결 와이어의 손실을 고려한 효율 ηl = 0.9 ... 0.95.

전력망에서 발전기가 소비하는 전력:

여기서 ηg는 발전기 효율 ηg = 0.65 … 0.85입니다.

고주파 설치의 총 효율은 모든 장치의 효율의 곱에 의해 결정되며 0.3 ... ... 0.5와 같습니다.

이러한 낮은 효율은 농업 생산에서 유전 가열의 광범위한 사용을 막는 중요한 요소입니다.

고주파 설비의 에너지 성능은 발전기에서 발산되는 열을 사용하여 개선할 수 있습니다.

유전체 및 반도체를 가열할 때 전류의 주파수는 필요한 열 흐름 F에 따라 선택됩니다. 농산물의 열처리에서 특정 체적 흐름은 허용 가능한 가열 및 건조 속도에 의해 제한됩니다. 작업 커패시터의 힘의 균형에서 우리는

여기서 V는 가열된 재료의 부피, m3입니다.

기술 프로세스가 주어진 속도로 발생하는 최소 빈도:

여기서 Emax는 재료의 최대 허용 전계 강도 V / m입니다.

주파수가 증가함에 따라 Em이 감소하므로 기술 프로세스의 신뢰성이 증가합니다. 그러나 빈도를 높이는 데는 몇 가지 제한이 있습니다. 손실률이 급격히 떨어지면 주파수를 높이는 것이 현실적이지 않다. 또한 주파수가 증가함에 따라 부하와 발전기의 매개변수를 일치시키는 것이 점점 더 어려워집니다. 이 계약이 제공되는 최대 주파수(Hz):

여기서 L과 C는 작동 커패시터가있는 부하 회로의 인덕턴스와 커패시턴스의 가능한 최소 등가 값입니다.

작동 커패시터의 선형 치수가 크면 주파수가 증가하면 전극에 고르지 않은 전압 분포가 발생하여 고르지 않은 가열이 발생할 수 있습니다. 이 조건에 대한 최대 허용 주파수 Hz

여기서 l은 작동 커패시터의 최대 플레이트 크기 m입니다.