Меню Рубрики

Установки высокочастотного диэлектрического нагрева

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс


Лекция 5


Токи высокой частоты (ТВЧ) значительно расширили технологические возможности и области применения электрического нагрева в различных отраслях народного хозяйства, медицине, биологии, быту, научных исследованиях. Особенно велико значение ТВЧ для нагрева электрически не проводящих и плохо проводящих материалов — диэлектриков и полупроводников.

Диэлектрический нагрев осуществляется в высокочастотном электрическом поле. Принципиальная электрическая схема простейшей установки приведена на рисунке 5.1. Диэлектрик Д помещается между обкладками рабочего конденсатора С к , образующего с индуктивностью L к и регулируемой емкостью С кр колебательный контур лампового генератора токов высокой частоты. Рабочий конденсатор, в котором происходит нагрев материала, является диэлектрическим нагревателем.

Рис. 5.1. Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для диэлектрического нагрева:
ИП — источник питания; Л — генераторная лампа; Сд-конденсатор блокировочный; L ст — дроссель анодный; С р — конденсатор разделительный; С р , R р — конденсатор и сопротивление гридлика; L С , С с — дроссель и конденсатор сеточный; L С — катушка связи; l к — индуктивность колебательного контура; С к -рабочий конденсатор; С кр -регулирующий конденсатор; Д — диэлектрик; С са -межэлектродная емкость сетка-анод.

Нагрев токами высокой частоты наиболее целесообразен для материалов с плохой теплопроводностью. В сельскохозяйственном производстве к ним относится большинство продуктов и кормов, подлежащих сушке: зерно, хмель, чай, табак, концкорма, — а также пищевые жидкости: молоко, фруктовые соки и др.

При обычных (внешних) способах подвода тепла процесс сушки или тепловой обработки затягивается. Длительное пребывание продуктов в температурном поле отрицательно влияет на их качество, возрастают потери тепла, производительность установок невысока.

При нагреве в поле конденсатора тепло выделяется одновременно по всему объему однородного по электрофизическим свойствам материала, вследствие чего продолжительность нагрева резко сокращается. В процессах сушки быстрый нагрев внутренних слоев материала приводит к созданию градиентов температуры и давления, направленных к наружной поверхности тела, что способствует быстрому удалению излишней влаги. Если материал неоднороден, становится возможным избирательный нагрев отдельных компонентов, имеющих различную спектральную чувствительность к ТВЧ. Интенсивность нагрева практически ограничивается лишь технологическими условиями и целостностью материала.

Интенсивный нагрев диэлектриков возможен лишь в электрическом поле высокой частоты. Нагрев в поле конденсатора (собственно диэлектрический нагрев) осуществляется на частотах от 0,5 до 100 МГц. Область более высоких частот, от 100 до 300 МГц, составляют токи сверхвысокой частоты (СВЧ). Нагрев токами СВЧ (волнами дециметрового и сантиметрового диапазона) осуществляется в объемных резонаторах или путем направленного излучения электромагнитной энергии. Этот вид диэлектрического нагрева имеет свои особенности как по принципу генерирования токов СВЧ, так и по характеру нагрева. На этих частотах уже заметно проявляется поверхностный эффект вследствие затухания электромагнитной волны в диэлектрике.

Основные особенности высокочастотного нагрева диэлектриков состоят в следующем.

1. Нагрев токами высокой частоты является прямым нагревом — электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно в полупроводниках или диэлектриках, помещенных в быстропеременное электрическое поле. Во многих случаях это позволяет коренным образом изменять технологию процессов, повышать качество продукции и производительность труда. Примерами этому могут служить опыт применения ТВЧ для сушки зерна и других сельскохозяйственных продуктов и кормов, пастеризация и стерилизация молока и др. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непосредственно на изменение теплосодержания материалов наименьшей по сравнению с другими способами, а к. п. д. выше, хотя общий расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах и вспомогательных устройствах нередко оказывается больше.

2. Токи высокой частоты позволяют осуществлять избирательный нагрев благодаря возможности концентрации мощности в нужном направлении и использованию спектральной чувствительности неоднородных по физическим свойствам материалов. Это свойство используется в процессах сушки, дезинсекции зерна, замаривания коконов тутового шелкопряда и др.

3. При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощности в единице объема нагреваемой среды, что позволяет значительно интенсифицировать производственные процессы. Появляется возможность использовать механические воздействия, возникающие в материалах при быстром неравномерном нагреве, например при диэлектрическом разрушении камней, вспучивании материалов органического происхождения и др. Кроме того, ВЧ нагрев диэлектриков позволяет снизить отходы продукции, осуществить поточность и широкую автоматизацию производства.

В сельском хозяйстве диэлектрический нагрев имеет большие возможности применения для сушки зерна, семян трав, овощей, фруктов, чая, хлопка, дезинсекции зерна, замаривания шелковичных коконов. Не менее важно применение ТВЧ для пастеризации, стерилизации молока и молочных продуктов, фруктовых и ягодных соков, в процессах консервирования.

К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высокую стоимость оборудования, более высокий (во многих случаях) удельный расход электроэнергии, необходимость в квалифицированном обслуживающем персонале. Поэтому его применение экономически целесообразно там, где это ведет к коренному усовершенствованию технологии процессов и где высокие капитальные и эксплуатационные затраты компенсируются повышением качества и увеличением выхода продукции, значительным ростом производительности труда.

К установкам диэлектрического нагрева предъявляются следующие основные требования:

1) обеспечить заданные технологические условия (по температурным режимам, скорости нагрева и т. п.);

2) полностью сохранить материал и его качества, не допускать электрического пробоя материала;

3) возможность согласования электрических параметров нагрузки с параметрами источника питания;

4) обеспечить устойчивый режим работы в конденсаторе без искрения;

5) максимальное значение к. п. д.

Выполнение этих требований связано в основном с правильным выбором мощности установок, напряженности поля и рабочей частоты конденсатора.

Мощность установок. Мощность, передаваемая диэлектрику в рабочем конденсаторе, является полезной и носит название номинальной колебательной мощности Р н . Ее определяют по общим формулам теплового расчета (§ 3, гл. II).

Мощность, подводимая к конденсатору (колебательная мощность конденсатора),

(5.1)

Колебательная мощность генератора

(5.2)

Мощность, потребляемая генератором из сети,

(5.3)

где η к = 0,80÷0,90 — к.п.д. рабочего конденсатора;

η э = 0,65÷0,70- электрический к. п. д. колебательного контура;

η л = 0,90÷0,95 — к. п. д., учитывающий потери в проводниках, соединяющих генератор с контуром;

η г = 0,65÷0,75 — к. п. д. генератора.

В результате многократного преобразования энергии общий к.п.д. установок диэлектрического нагрева оказывается довольно низким — 0,30-0,45, а удельный расход электроэнергии высоким.

Напряженность электрического поля выбирают, исходя из недопустимости электрического пробоя материала по условию:

(5.4)

где E доп -допустимая напряженность поля в нагреваемом материале;

Е пр — электрическая прочность материала.

Значение Е пр берут из справочной литературы. Так, для сухого воздуха при температуре 25° С Е пр составляет около 30 кВ/см. При нагреве и сушке различных материалов напряженность поля обычно не превышает 1,5-2 кВ/см.

Частота поля конденсатора наряду с напряженностью поля определяет удельную мощность, выделяемую в диэлектрике:

. (5.5)

При выбранном значении Е повышение частоты — единственное средство увеличить интенсивность нагрева. Однако при этом необходимо учитывать технологические условия нагрева и возможность согласования параметров генератора с нагрузкой.

Технологическими условиями ограничивается скорость нагрева или скорость испарения влаги , где Δt — приращение температуры материала за время Δτ; ΔW — количество испаренной влаги из единицы сырой массы материала (кг/кг) за время Δτ .

Скорости нагрева и испарения связаны с удельной мощностью, подводимой к единице объема материала, уравнениями теплового баланса. С учетом равенства (5.3) можно написать выражения для удельной мощности (Вт/см 3 ):

(5.6)

(5.7)

где r — удельная теплота испарения, кДж/кг;

с — удельная теплоемкость материала, кДж/(кг × °С);

D — плотность материала или влаги, кг/м 3 .

Приравняв ΔР наг и ΔР суш к ΔР, по формуле

(5.8)

найдем минимальное значение частоты, при которой еще можно достичь заданной интенсивности нагрева:

, (5.9)

, (5.10)

где К= ε tg d — фактор потерь.

Выбирая частоту выше f min , можно снизить напряженность электрического поля. Верхнее допустимое значение частоты определяется из условия возможности настройки рабочего контура в резонанс и передачи необходимой мощности от генератора к нагрузке:

, (5.11)

где L min — минимально возможная индуктивность контура, Г;

С min —минимально возможная эквивалентная (с учетом нагреваемого материала) емкость рабочего контура, пФ.

Рабочая частота выбирается в диапазоне, ограниченном значениями f min и f mах , с учетом того, что фактор потерь ε tg d имеет наибольшее значение при собственной частоте диэлектрика. Следует иметь в виду, что с повышением частоты снижается к. п. д. нагрева, поэтому в каждом конкретном случае необходимо искать оптимальное решение. При окончательном выборе частоты необходимо учитывать диапазон частот, разрешенных для использования в технике высокочастотного нагрева.

Размеры камеры нагрева определяют следующим образом. Колебательную мощность конденсатора можно найти через удельную мощность диэлектрического нагрева (5.8) и объем материала V в камере нагрева:

(5.12)

Для плоского конденсатора, полностью заполненного диэлектриком,

(5.13)

где F —площадь обкладки, см 2 ;

d — расстояние между обкладками, см.

Если U к — напряжение, подводимое к конденсатору (кВ), то

. (5.14)

Задавшись размером одной из сторон обкладки конденсатора, из формул (5.12) и (5.13) находят размер другой стороны. Пример расчета диэлектрического нагревателя приведен в главе X.

Установки диэлектрического нагрева выпускаются стандартными ступенями мощностей в диапазоне от 0,16 до 630 кВт.

Выпускаемые промышленностью установки имеют индексацию ВЧД (высокочастотные диэлектрические). После букв через дефис в числителе — колебательная мощность (кВт), в знаменателе -частота (МГц). Буквы после цифр обозначают технологическое назначение. Например, ВЧД-40/5-СД — установка высокочастотная для диэлектрического нагрева, колебательная мощность 40 кВт, частота 5 МГц, СД — для склеивания древесины (ЛП — приготовления пищи, НП — нагрева пресс-порошков, ДН — диэлектрического нагрева универсального назначения и т. п.).

Ламповые генераторы ТВЧ для диэлектрического нагрева имеют много общего с генераторами для индукционного нагрева. У них общий принцип действия, и их часто выполняют на одних и тех же генераторных лампах. В обоих случаях используют, как правило, генераторы с самовозбуждением (автогенераторы). Однако между ними существуют и различия, обусловленные разными диапазонами генерируемых частот. В технике высокочастотного нагрева частотный диапазон индукционного нагрева относят к «низким» частотам, а диэлектрического нагрева, у которого частоты на 2-3 порядка выше, — к «высоким».

В диапазоне высоких частот (выше 5-10 МГц) на работу генераторов заметное влияние оказывают паразитные емкости и индуктивности монтажа, а также межэлектродные емкости лампы: катод- анод, сетка — катод, сетка — анод. Это усложняет настройку генератора и затрудняет его работу.

В высокочастотных генераторах межэлектродные емкости используются как элементы обратной сеточной связи. На схеме, приведенной на рисунке 5.1, таким элементом является межэлектродная емкость сетка — анод С са , показанная пунктиром. Так как в соответствии с теорией ламповых генераторов реактивное сопротивление между сеткой и катодом в этом случае должно быть противоположного знака, то есть индуктивным, то обратная сеточная связь по виду является индуктивной. Такой вид обратной связи наиболее распространен в схемах высокочастотных генераторов.

При нагреве в поле конденсатора с ростом температуры изменяются параметры нагреваемого материала (влажность, электрофизические свойства), которые наряду с параметрами элементов колебательного контура определяют значение резонансного сопротивления R а

(5.15)

Это приводит к нарушению условия

, (5.16)

оптимальности работы генератора и изменению частоты. Поддержание оптимального режима нагрева (согласование нагрузки)-одна из основных трудностей в работе высокочастотных генераторов (особенно значительной мощности). Генераторы обычно выполняются по более сложным, чем на рисунке 5.1, двух- и многоконтурным схемам, обеспечивающим возможность согласования нагрузки в процессе нагрева. Принципы согласования такие же, как у генераторов индукционного нагрева. Простейшие одноконтурные схемы, подобно изображенной на рисунке 5.1 с рабочим конденсатором, являющимся частью емкости колебательного контура, имеют ограниченную возможность настройки и применяются лишь в установках небольшой мощности для выполнения определенного технологического процесса.

Магнетроны. Повышение требований технологии к нагреву диэлектриков привело к использованию токов сверхвысоких частот (СВЧ), к которым принято относить токи частотой выше 50- 100 МГц.

Основные особенности нагрева энергией СВЧ состоят в следующем:

1) значительное повышение интенсивности нагрева. Согласно выражению (5.8), переход к более высоким частотам является единственным средством повышения удельной мощности нагрева, так как значение напряженности электрического поля ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала;

2) лучшее использование спектральной чувствительности нагреваемых материалов, что открывает новые возможности для избирательного нагрева и повышения эффективности высокочастотной электротермии.

Нагрев в поле СВЧ может использоваться в тех же процессах, что и диэлектрический нагрев. Весьма перспективно применение СВЧ-нагрева в процессах приготовления пищи на предприятиях общественного питания и в быту.

Для генерирования токов СВЧ обычные вакуумные триоды и тетроды непригодны. При частотах более 100 МГц уже заметно проявляется механическая инерция электронов, а время пробега электрона между электродами лампы становится соизмеримым с периодом колебаний. Это существенно затрудняет управление электронным потоком при помощи управляющего электрода и, следовательно, генерирование ВЧ-колебаний модуляцией электронного потока по плотности. Возникающие при таких частотах даже небольшие «паразитные» емкости и индуктивности в конструкционных элементах ламп вносят существенные погрешности в нормальный режим работы ламп. Малопригодными оказались и обычные колебательные контуры, имеющие на этих частотах значительные потери на излучение.

Выход был найден в использовании специальных электронных приборов — магнетронов, в которых генерирование СВЧ-колебаний осуществляется модуляцией электронного потока по скорости. Магнетроны значительно расширили область применения диэлектрического нагрева.

В магнетронах (рис. 5.2) используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Между электродами подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле, под действием которого вырываемые из подогретого катода электроны устремляются к аноду. Анодный блок помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона. Под действием магнитного поля электрон отклоняется от радиального направления и движется по сложной спиральной траектории. В пространстве между катодом и анодом образуется вращающееся электронное облако с языками, напоминающее ступицу колеса со спицами. Пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, электроны возбуждают в них высокочастотные колебания. Каждый из объемных резонаторов представляет собой колебательную систему с распределенными параметрами. Электрическое поле концентрируется у щелей, а магнитное поле сосредоточено внутри полости.

Рис. 5.2. Анодный блок магнетрона.

Вывод энергии из магнетрона осуществляется при помощи индуктивной петли, помещаемой в один или чаще два соседних резонатора. По коаксиальному кабелю энергия подводится к нагрузке.

Нагрев токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения или в объемных резонаторах, в которых возбуждаются электромагнитные волны простейших форм ТЕ 10 ( Н 10 ) (в волноводах) или ТЕ 101 (в объемных резонаторах). Нагрев может осуществляться и излучением электромагнитной волны на объект нагрева.

Питание магнетронов осуществляется выпрямленным током с упрощенной схемой выпрямителя. Установки очень малой мощности могут питаться переменным током. Простота устройства и относительно невысокая стоимость магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью нагрева и разнообразием применения токов СВЧ открывают перед ними большие перспективы применения в различных областях сельского хозяйства.

1. Назовите способы предпосевной обработки семян.

2. Необходимость предпосевной обработки семян.

3. Физическая сущность термической обработки в целях обеззараживания семян.

4. Особенности диэлектрического нагрева.

5. Объясните работу электрической принципиальной схемы СВЧ-печи.

6. В чём отличие процесса нагрева продукта в микроволновой печи от традиционных способов нагрева?

7. В чём заключается эффективность обработки семян в микроволновой печи?

8. Какой из элементов печи отвечает за автоматическое включение в заданное время суток?

9. Почему в микроволновых печах нельзя использовать металлическую посуду?

10. На чём основано действие микроволновых печей?

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

источник

Читайте также:  Установка буровых железобетонных свай