Chauffage diélectrique

Qu'est-ce que le chauffage diélectrique

Le chauffage diélectrique fait référence au chauffage de diélectriques et de semi-conducteurs dans un champ électrique alternatif sous l'influence duquel le matériau chauffé est polarisé. La polarisation est un processus de déplacement des charges associées, conduisant à l'apparition d'un moment électrique à chaque élément de volume macroscopique.

La polarisation est divisée en élastique et en relaxation : l'élastique (sans inertie) détermine l'énergie du champ électrique, et la relaxation (inertie) détermine la chaleur dégagée dans le matériau chauffé. En polarisation de relaxation par un champ électrique externe, on travaille à vaincre les forces des liaisons internes ("friction") des atomes, des molécules, des complexes chargés. La moitié de ce travail est convertie en chaleur.

La puissance libérée dans un diélectrique est généralement rapportée à une unité de volume et est calculée par la formule

où γ est la conductance conjuguée complexe du matériau, EM est l'intensité du champ électrique dans le matériau.

Conduction complexe

Ici, εr est la constante diélectrique complexe totale.

La partie réelle de ε', appelée constante diélectrique, affecte la quantité d'énergie qui peut être stockée dans un matériau. La partie imaginaire de ε″, appelée facteur de perte, est une mesure de l'énergie (chaleur) dissipée dans le matériau.

Le facteur de perte tient compte de l'énergie dissipée dans le matériau due à la fois à la polarisation et aux courants de fuite.

En pratique, les calculs utilisent une valeur appelée la tangente de l'angle de perte :

La tangente de l'angle de perte détermine le rapport entre l'énergie dépensée pour le chauffage et l'énergie stockée des oscillations électromagnétiques.

Compte tenu de ce qui précède, la puissance active spécifique volumétrique, W / m3:

ou

Ainsi, la puissance volumique spécifique est proportionnelle au carré de l'intensité du champ électrique dans le matériau chauffé, de la fréquence et du facteur de perte.

L'intensité du champ électrique dans le matériau chauffé dépend de la tension appliquée, de la constante diélectrique ε ', de l'emplacement et de la forme des électrodes qui forment le champ. Pour certains des cas les plus courants dans la pratique, l'emplacement des électrodes, la force du champ électrique est calculée par les formules illustrées à la figure 1.

Riz. 1. Au calcul de l'intensité du champ électrique: a - condensateur cylindrique, b - condensateur monocouche plat, c, d - condensateur multicouche plat avec un agencement de couches de matériaux, respectivement, transversalement et le long du champ électrique .

Il convient de noter que la valeur maximale limite de Em est limitée par la rigidité diélectrique du matériau chauffé. La tension ne doit pas dépasser la moitié de la tension de claquage.La capacité pour les semences de céréales et de légumes est prise dans la plage (5 … 10) 103 V / m, pour le bois — (5 … 40) 103 V / m, chlorure de polyvinyle — (1 … 10 ) 105 V / m.

Le coefficient de perte ε « dépend de la composition chimique et de la structure du matériau, de sa température et de sa teneur en humidité, de la fréquence et de l'intensité du champ électrique dans le matériau.

Caractéristiques de chauffage diélectrique des matériaux

Le chauffage diélectrique est utilisé dans diverses industries et dans l'agriculture.

Les principales caractéristiques du chauffage diélectrique sont les suivantes.

1. La chaleur est libérée dans le matériau chauffé lui-même, ce qui permet d'accélérer le chauffage des dizaines et des centaines de fois (par rapport au chauffage par convection), ce qui est particulièrement visible pour les matériaux à faible conductivité thermique (bois, grain, plastiques, etc. ).

2. Le chauffage diélectrique est sélectif : la puissance volumique spécifique et, par conséquent, la température de chaque composant d'un matériau non homogène sont différentes. Cette fonction est utilisée dans l'agriculture, par exemple pour désinfecter les céréales et décaper les vers à soie,

3. Lors du séchage diélectrique, de la chaleur est dégagée à l'intérieur du matériau et donc la température au centre est plus élevée qu'à la périphérie. L'humidité à l'intérieur du matériau passe de l'humide au sec et du chaud au froid. Ainsi, lors du séchage convectif, la température à l'intérieur du matériau est plus basse qu'à la périphérie, et le flux d'humidité dû au gradient de température empêche l'humidité de remonter à la surface. Cela réduit considérablement l'efficacité du séchage par convection. Dans le séchage diélectrique, les flux d'humidité dus à la différence de température et à la teneur en humidité coïncident.C'est le principal avantage du séchage diélectrique.

4. Lors du chauffage et du séchage dans un champ électrique à haute fréquence, le coefficient de perte diminue et, par conséquent, la puissance du flux de chaleur. Pour maintenir la puissance au niveau requis, vous devez modifier la fréquence ou la tension fournie au condensateur.

Installations de chauffage diélectrique

L'industrie produit à la fois des installations spécialisées à haute fréquence destinées au traitement thermique d'un ou plusieurs types de produits, ainsi que des installations à usage général. Malgré ces différences, toutes les installations à haute fréquence ont le même schéma structurel (Fig. 2).

Le matériau est chauffé dans le condensateur de travail du dispositif haute fréquence 1. La tension haute fréquence est fournie au condensateur de travail via le bloc de circuits oscillants intermédiaires 2, conçu pour la régulation de puissance et la régulation du générateur 3. Le générateur de lampe convertit le tension continue reçue du redresseur semi-conducteur 4, en tension alternative haute fréquence. Dans le même temps, au moins 20 ... 40% de toute l'énergie reçue du redresseur est dépensée dans le générateur de lampe.

La majeure partie de l'énergie est perdue à l'anode de la lampe, qui doit être refroidie par de l'eau. L'anode de la lampe est alimentée par rapport à la terre 5 … 15 kV, donc le système d'alimentation isolée en eau de refroidissement est très complexe. Le transformateur 5 est conçu pour augmenter la tension du réseau à 6 ... 10 kV et déconnecter la connexion conductrice entre le générateur et le réseau électrique. Le bloc 6 est utilisé pour allumer et éteindre l'installation, effectuer séquentiellement les opérations technologiques et protéger contre les modes d'urgence.

Les installations de chauffage diélectrique diffèrent les unes des autres par la puissance et la fréquence du générateur, par la construction d'équipements auxiliaires conçus pour déplacer et maintenir le matériau traité, ainsi que pour l'impact mécanique sur celui-ci.

Riz. 2. Schéma fonctionnel de l'installation haute fréquence: 1 - dispositif haute fréquence avec un condensateur de charge, 2 - un bloc de circuits oscillants intermédiaires avec un régulateur de puissance, des capacités et des inductances de réglage, 3 - générateur de lampe avec séparation des anodes et du réseau circuits, 4 — redresseur semi-conducteur : 5 — transformateur élévateur, c — bloc protégeant l'installation des modes de fonctionnement anormaux.

L'industrie produit un grand nombre d'installations à haute fréquence à des fins diverses. Pour le traitement thermique des produits, des générateurs haute fréquence en série sont utilisés, pour lesquels des dispositifs spécialisés sont fabriqués.

Choisir un générateur pour chauffer avec un diélectrique revient à déterminer sa puissance et sa fréquence.

La puissance oscillante Pg du générateur haute fréquence doit être supérieure au flux thermique Ф nécessaire au traitement thermique du matériau de la valeur des pertes dans le condensateur de travail et le bloc des circuits oscillants intermédiaires :

où ηk est l'efficacité du condensateur de travail, en fonction de la surface de la surface de transfert de chaleur, du coefficient de transfert de chaleur et de la différence de température entre le matériau et le milieu ηk = 0,8 ... 0,9, ηe est l'efficacité électrique de le circuit oscillant ηe = 0,65 ... 0 , 7, ηl — efficacité, en tenant compte des pertes dans les fils de connexion haute fréquence ηl = 0,9 … 0,95.

Puissance consommée par le générateur à partir du réseau :

Ici ηg est le rendement du générateur ηg = 0,65 … 0,85.

Le rendement total d'une installation haute fréquence est déterminé par le produit du rendement de toutes ses unités et est égal à 0,3 ... ... 0,5.

Une telle faible efficacité est un facteur important qui empêche l'utilisation généralisée du chauffage diélectrique dans la production agricole.

La performance énergétique des installations à haute fréquence peut être améliorée en utilisant la chaleur dissipée par le générateur.

La fréquence du courant lors du chauffage des diélectriques et des semi-conducteurs est sélectionnée en fonction du flux de chaleur requis F. Dans le traitement thermique des produits agricoles, le débit volumique spécifique est limité par le taux de chauffage et de séchage autorisé. De l'équilibre des forces dans le condensateur de travail, nous avons

où V est le volume de matériau chauffé, m3.

La fréquence minimale à laquelle le processus technologique se déroule à une vitesse donnée :

où Emax est l'intensité de champ électrique maximale admissible dans le matériau, V / m.

Lorsque la fréquence augmente, Em diminue et donc la fiabilité du processus technologique augmente. Cependant, il existe certaines limites à l'augmentation de la fréquence. Il n'est pas pratique d'augmenter la fréquence si le taux de perte chute fortement. Aussi, à mesure que la fréquence augmente, il devient de plus en plus difficile de faire correspondre les paramètres de la charge et du générateur. Fréquence maximale, Hz, à laquelle cet accord est fourni :

où L et C sont les valeurs équivalentes minimales possibles d'inductance et de capacité du circuit de charge avec un condensateur de travail.

Avec de grandes dimensions linéaires du condensateur de travail, une augmentation de la fréquence peut entraîner une répartition inégale de la tension sur l'électrode et, par conséquent, un chauffage inégal. La fréquence maximale autorisée, Hz, pour cette condition

où l est la plus grande taille de plaque du condensateur de travail, m.